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Page de résumé pour ULgetd-09262011-010800

Auteur : Terwagne, Denis
E-mail de l'auteur : D.Terwagne@ulg.ac.be
URN : ULgetd-09262011-010800
Langue : Anglais/English
Titre : Bouncing droplets, the role of deformations
Intitulé du diplôme : Doctorat en sciences
Département : FS - Département de physique
Jury :
Nom : Titre :
Brunet, Ph. Membre du jury/Committee Member
Bush, J.W.M. Membre du jury/Committee Member
Couder, Y. Membre du jury/Committee Member
Bastin, Thierry Président du jury/Committee Chair
Dorbolo, Stéphane Promoteur/Director
Vandewalle, Nicolas Promoteur/Director
Mots-clés :
  • emulsion
  • compound drop/bigoutte
  • quantum mechanics
  • walker/marcheur
  • microfluidic
Date de soutenance : 2011-09-21
Type d'accès : Public/Internet
Résumé :

Nowadays, innovative applications such as "lab-on-a-chip", micro-reactors or biological chips are developed for industry, biology or medicine. Capillary issues are encountered which are not yet fully understood. It is therefore essential to open up ways to manipulate tiny amounts of liquid in order to mix them, encapsulate them or to create emulsions. The bouncing droplets on an oscillating liquid interface allow their manipulation. Indeed, under certain conditions, droplets can bounce indefinitely on a bath surface as long as the squeezed air film which separates the drop from the bath is renewed at each bounce. We chose to study deformable droplets on a non-deformable bath. The droplets are deformable because they are large or made of a low viscous oil, the liquid of the bath being highly viscous silicone oil. We investigated how the deformations, the stability and the trajectories of the droplets depends on the forcing parameters such as the frequency and the amplitude of the oscillation. We also studied the possibility of mixing and emulsifying droplets on the bath. Finally, we showed the effect of the deformation of the bath on these bouncing droplets and studied the trajectories of walking droplets [1] which are used as a model for quantum-like particles [2-5]. In this manuscript, we reported an exploration of the droplets behavior as a function of the ability of the bath and/or the droplet to deform.

Depending on the forcing frequency, specific deformation modes are excited on the bouncing droplets. We used these modes to rationalize their bouncing stability and to create double emulsions in a compound droplet. Then, we determined numerically the complex bifurcation diagrams of the trajectories of a bouncing droplet thanks to a model based on a spring. On a low viscous bath, we evidenced the importance of its deformation. We showed that a walker exists as soon as the droplet experiences, once every two oscillation periods, a jump high enough to trigger a Faraday wave. As a consequence, we have to take the bouncing droplets into account when looking for an alternative way to manipulate them or as a model of quantum-like particles. The bouncing droplets still exhibit lots of intriguing behaviors which have yet to be explained. They can therefore remain the focus of future works.

Depuis peu, de nouvelles applications telles que des laboratoires miniaturisés, des microréacteurs ou des puces biologiques voient le jour. Elles sont utilisées par l'industrie, la biologie ou encore la médecine. Des problèmes de capillarité sont régulièrement rencontrés et ne sont pas encore complètement compris. C'est pourquoi, il est essentiel d'ouvrir de nouvelles voies pour la manipulation de petites quantités de fluides dans le but de créer des mélanges, des encapsulations ou des émulsions. Les gouttes rebondissantes sur une surface liquide oscillante permettent leur manipulation sans contamination. En effet, dans certaines conditions, des gouttes peuvent rebondir indéfiniment car le film d'air qui sépare la goutte du bain est comprimé et renouvelé à chaque rebond. Dans ce travail, nous avons choisi d'étudier la déformation des gouttes sur un bain très visqueux et en conséquence très peu déformable. Quant aux gouttes, elles sont déformables car elles sont de tailles importantes ou formées d'un liquide peu visqueux. Nous avons étudié les déformations, la stabilité ainsi que les trajectoires des gouttes rebondissantes en fonction des différents paramètres de forçage tels que la fréquence d'oscillation du bain et son amplitude. Nous avons également étudié la possibilité d'effectuer un mélange ou une émulsion à l'intérieur d'une seule goutte rebondissante. Finalement, nous avons montré l'effet de la déformation du bain sur le rebond des gouttes et analysé les trajectoires d'une goutte dite marcheuse [1]. Celle-ci est utilisée comme modèle de particule pseudo-quantique [2-5]. En résumé, dans ce manuscrit, nous développons une exploration du comportement de la goutte rebondissante en fonction de ses capacités de déformation en tenant compte de la rigidité du bain.

Selon la fréquence de forçage, certains modes de déformation spécifiques de la goutte rebondissante sont excités. Ces modes sont utilisés pour expliquer la stabilité des gouttes sur le bain et aussi pour initier des doubles émulsions dans des gouttes bi-composées. Grâce à un modèle de ressort, nous avons retrouvé numériquement les diagrammes de bifurcations observés. Pour un bain peu visqueux, nous avons mis en évidence sa déformation. Nous avons démontré qu'un marcheur peut exister aussitôt que la goutte émet un rebond qui se produit toutes les deux périodes de l'oscillation du bain et qui est d'amplitude suffisante pour déclencher des ondes de Faraday. Au vu de nos résultats, nous pouvons affirmer que les gouttes rebondissantes peuvent être envisagées comme une alternative pour la manipulation de petites quantités de liquide et aussi comme des modèles de pseudo-particules quantiques. Les gouttes rebondissantes présentent de nombreux comportements intéressants qui peuvent encore faire l'objet de nombreuses recherches.

[1] Y. Couder, S. Protiere, E. Fort and A. Boudaoud, Walking and orbiting droplets, Nature 437, 208 (2005).

[2] Y. Couder and E. Fort, Single-particle difraction and interference at a macroscopic scale, Phys. Rev. Lett. 97, 154101 (2006).

[3] A. Eddi, E. Fort, F. Moisy and Y. Couder, Unpredictable tunneling of a classical wave-particle association, Phys. Rev. Lett. 102, 240401 (2009).

[4] A. Eddi, E. Sultan, J. Moukhtar, E. Fort, M. Rossi and Y. Couder, In- formation stored in faraday waves: the origin of a path memory, J. Fluid Mech. 674, 433 (2011).

[5] E. Fort, A. Eddi, A. Boudaoud, J. Moukhtar and Y. Couder, Path-memory induced quantization of classical orbits, Proc. Natl. Acad. Sci. 107, 17515 (2010).

Autre version :
Fichiers :
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Modem 56K ADSL
[Public/Internet] 2011_Terwagne_these.pdf 13.21 Mb 00:31:27 00:01:10

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