Des scientifiques présentent un nouveau modèle pour prédire le comportement des éclaboussures de gouttelettes sur des surfaces solides

L’étude des gouttelettes liquides et de leur comportement lors de l’impact est d’une importance majeure dans de nombreux domaines, notamment l’agriculture, l’ingénierie et la médecine. La prédiction du comportement des gouttelettes est utilisée dans la peinture au pistolet et les pulvérisations de pesticides, la technologie à jet d’encre pour l’impression et la génération d’aérosols pendant les précipitations. Une compréhension plus approfondie de ce phénomène est donc impérative non seulement pour faire progresser nos connaissances en physique des fluides mais aussi en technologie.

À cet égard, un phénomène particulièrement intrigant est l’éclaboussement de gouttelettes lorsqu’elles heurtent des surfaces solides. Plusieurs études sur le comportement des films liquides ont permis de faire la lumière sur les éclaboussures de gouttelettes. Cependant, aucun consensus n’a émergé concernant le moment où une gouttelette peut éclabousser. De plus, le comportement de mouillage, ou la facilité avec laquelle un liquide adhère à des surfaces solides lisses et rugueuses, est tout aussi important à comprendre.

Dans ce contexte, un groupe de scientifiques du Japon et de Chine a récemment mené une étude pour résoudre ce problème. L’équipe de recherche, dirigée par le professeur agrégé Yukihiro Yonemoto de l’Université de Kumamoto, au Japon, en collaboration avec le professeur Tomoaki Kunugi de l’Université de Zhejiang, en Chine, a proposé un nouveau modèle qui peut prédire quand une gouttelette éclaboussera après avoir heurté une surface solide. Leurs recherches ont été publiées dans Rapports scientifiques et Communications scientifiques sur les colloïdes et les interfaces.

Lorsqu’une gouttelette entre en collision avec une surface solide, un film liquide instable apparaît sous la gouttelette impactée. Pour tenir compte de cette instabilité, l’équipe a modifié l’équation du bilan énergétique qui prédit la zone de contact d’étalement pour les surfaces lisses et rugueuses.

Pour développer le modèle théorique de prédiction des conditions d’éclaboussures, l’équipe a considéré l’équilibre de pression du film liquide. Les résultats analytiques obtenus en combinant l’équation de bilan énergétique modifiée et l’équation de bilan de pression étaient en bon accord avec le nombre critique de Weber (une quantité sans dimension qui caractérise l’écoulement de fluide sur les surfaces) pour les éclaboussures obtenues expérimentalement pour les gouttelettes de liquide de mélange eau-éthanol.

Les résultats ont montré que la condition d’éclaboussures ne dépendait pas uniquement de la viscosité du liquide mais aussi de la mouillabilité et de la rugosité de la surface solide. De plus, le critère d’éclaboussement était régi par une compétition entre les pressions hydrostatiques et hydrodynamiques, qui étaient les forces motrices, et la pression capillaire et la contrainte visqueuse, qui étaient les forces opposées. Les éclaboussures se sont produites lorsque les forces motrices l’ont emporté.

En plus de prédire les conditions d’éclaboussures, le modèle d’éclaboussures a également prédit la taille des gouttelettes secondaires dispersées et le nombre de structures liquides en forme de doigt qui sont apparues une fois le film liquide déstabilisé. Le modèle a indiqué que l’épaisseur du film liquide, qui est apparu après l’impact des gouttelettes, était liée à la taille des gouttelettes secondaires. De plus, la taille de ces gouttelettes secondaires et le nombre de doigts étaient mutuellement liés. Ils ont également été affectés par la mouillabilité/rugosité de surface de la surface solide en plus des propriétés liquides.

« Nos résultats pourraient ouvrir la voie à une meilleure compréhension de la physique de base de la fragmentation des jantes ou des films liquides et trouver des applications dans d’importants domaines d’ingénierie liés à l’impression, au revêtement et à la pulvérisation », déclare le Dr Yonemoto.