L’étude de la physique de ce phénomène fluide et fugace pourrait permettre d’améliorer divers processus industriels.
« À première vue, l’écoulement de l’eau d’un tube semble être un processus quotidien régi par la gravité », indique Abhijit Kushwaha, membre de l’équipe à l’origine de ces travaux. « Ce n’est qu’avec l’imagerie haute vitesse que nous pouvons ralentir suffisamment le temps pour capturer la chorégraphie cachée de ce processus. »
Pour cette étude, l’équipe a utilisé des tubes creux de différents diamètres, remplis d’eau à différentes hauteurs. Lorsque les chercheurs ont laissé l’eau s’écouler, une caméra haute vitesse a capturé les formes qui se sont formées pendant environ cent millisecondes.
Cela a révélé un effet curieux pour certaines combinaisons de diamètre de tube et de hauteur d’eau. Lorsque le liquide tombait, une fine pellicule d’eau adhérait aux parois du tube et descendait plus lentement. Une fois que la colonne d’eau principale avait quitté le tube, ce film émergeait et formait une bulle éphémère en forme de tulipe. Dans certains cas, le film cannelé se rétractait rapidement dans le tube ; dans d’autres, il s’étirait jusqu’à ce que la colonne d’eau s’en détache.
La formation de films cannelés dépend d’un équilibre délicat entre la gravité, la tension superficielle, l’inertie et la viscosité, explique M. Kushwaha. Si la colonne d’eau est trop courte ou si le tube est trop étroit, le film ne se forme pas. À l’inverse, les tubes les plus larges produisent un film cylindrique qui se détache du tube pour créer une forme de couronne.
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Les chercheurs ont créé un modèle mathématique pour prédire le comportement de ces films à partir de quelques paramètres simples, tels que le rayon du tube et la hauteur de l’eau. « Cela peut permettre d’améliorer la conception et les stratégies de contrôle dans tout système où les films liquides minces jouent un rôle essentiel, des réacteurs industriels à la microélectronique en passant par les systèmes biologiques, tels que les poumons », ajoute Tadd Truscott, qui dirige la recherche.
Par exemple, les appareils appelés évaporateurs à film tombant sont largement utilisés dans des industries telles que l’agroalimentaire, l’industrie pharmaceutique et la production d’électricité pour concentrer des liquides ou éliminer des solvants. Ces systèmes sont caractérisés par de minces films de liquide qui s’évaporent en coulant le long des parois de tubes chauffés. Si ces films se rompent ou deviennent irréguliers, l’efficacité du transfert de chaleur peut être réduite ou l’équipement peut être endommagé.
« Nos recherches permettent de mieux comprendre quand et comment ces films peuvent se rompre ou se comporter de manière inattendue, offrant ainsi des informations qui pourraient être utilisées pour concevoir des systèmes plus fiables », explique M. Truscott. « Cela pourrait également être pertinent pour le refroidissement des moteurs de fusée ou l’application de revêtements protecteurs sur des surfaces. »
L’équipe prévoit d’étudier le comportement d’autres fluides dans une gamme plus large de tubes. « Notre objectif final est de développer un cadre prédictif qui aide les scientifiques et les ingénieurs à comprendre, concevoir et optimiser les systèmes dans lesquels les films minces jouent un rôle caché mais crucial », conclut M. Kushwaha.
Kushwaha, A. K., Jones, M. B., Belden, J., Speirs, N. & Truscott, T. T. Transient fluted films behind falling water columns. Phys. Rev. Lett. 134, 224001 (2025). | article
