Capillary phenomena and instabilities in driven miscible liquids and soft solids
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Abstract EN:
In this work we tackle the challenging task of investigating the effective interfacial tension (EIT) between molecular miscible fluids. We first investigate the dynamics of spinning drops when they are subject to a sudden rotation speed jump. Immiscible drops show an exponential decay towards their equilibrium shape, with a characteristic time entirely determined by the viscosities of the two fluids, the drop size and the interfacial tension. Contrarily, a completely different elongation dynamics is found for miscible drops with a small difference in concentration with respect to the background fluid: in this case the dynamics are well captured by a power law. Moreover, for sufficiently low interfacial tension drops deform radially developing a “dumbbell" shape, consisting in a thin central body connecting two larger heads. We investigate the origin of such shapes, and demonstrate that they can be used to measure the interfacial tension at the boundary between the drop and the background fluids. By developing a simple model in which we balance the normal stress imposed on the drop surface, the shear stress opposing the deformation and a Laplace-like term containing the surface tension, we exploit the deformation dynamics of miscible drops to measure the EIT between water and glycerol as a model for simple miscible liquids. In particular, we find an EIT of 250±50 nN/m for pure water in contact with pure glycerol, a value orders of magnitude lower than the experimental limits of more conventional tensiometry techniques. In this thesis we also explore for the first time the systematic use of spinning drop tensiometry to measure the elastic modulus and interfacial tension of soft elastic beads, showing that this technique allows for the simultaneous measurement of the two quantities. Finally, we investigate the stability of viscosity-stratified coflows as a second route to study the EIT. Two different regimes are observed, as the instability wavelength varies non monotonically with respect to the flow rates. At small to moderate flow rates, the interplay between the interface and the channel walls leads to a confinement effect preventing the excitation of big waves. At higher values of flow rate, the amplitude of the disturbance reaches a steady value. We show that, to understand the stability of viscosity-stratified flows one needs to take into account both kinetic energy dissipation and production, notably considering the shape of the base flow velocity profile.
Abstract FR:
Dans cette thèse nous proposons un travail expérimental visant à comprendre et mesurer la tension interfaciale effective (EIT) entre liquides moléculaires miscibles. Nous étudions d’abord la dynamique des gouttes en rotation lorsqu’elles sont soumises à un saut brusque de vitesse de rotation. Les gouttes immiscibles présentent une décroissance exponentielle vers leur forme d’équilibre, avec un temps caractéristique entièrement déterminé par les viscosités des deux fluides, la taille de la goutte et la tension interfaciale. Au contraire, une dynamique d’allongement complètement différente caractérise les gouttes miscibles avec une petite différence de concentration par rapport au fluide porteur: dans ce cas, la dynamique est bien saisie par une loi de puissance. De plus, pour une tension interfaciale suffisamment faible, les gouttes se déforment radialement en développant une forme "dumbbell", consistant en un corps central mince reliant deux têtes plus grandes. Nous étudions l’origine de ces formes et démontrons qu’elles peuvent être utilisées pour mesurer la tension interfaciale à la frontière entre la goutte et le fluide porteur. En développant un modèle simple dans lequel nous équilibrons la contrainte normale imposée sur la surface de la goutte, la contrainte de cisaillement opposée à la déformation et un terme de type Laplace contenant la tension de surface, nous exploitons la dynamique de déformation des gouttes miscibles pour mesurer l’EIT entre l’eau et le glycérol comme modèle pour les liquides miscibles simples. En particulier, nous trouvons une EIT de 250±50 nN/m pour l’eau pure en contact avec le glycérol pur, un ordre de grandeur inférieur aux limites expérimentales des techniques de tensiométrie plus conventionnelles. Dans cette thèse, nous explorons également pour la première fois l’utilisation systématique de la tensiométrie à goutte tournante pour mesurer le module élastique et la tension interfaciale des billes élastiques souples, montrant que cette technique permet la mesure simultanée des deux quantités. Enfin, nous étudions la stabilité des "coflows" stratifiés en viscosité comme deuxième voie d’étude de l’EIT. Deux régimes différents sont observés, car la longueur d’onde d’instabilité varie d’une façon non monotone par rapport aux débits. À des débits faibles où modérés, l’interaction entre l’interface et les parois du canal entraîne un effet de confinement empêchant l’excitation des ondes de grande amplitude. À des valeurs de débit plus élevées, l’amplitude de la perturbation atteint une valeur constante. Nous montrons que, pour comprendre la stabilité des flux stratifiés en viscosité, il faut tenir compte à la fois de la dissipation et de la production d’énergie cinétique, notamment en considérant la forme du profil de vitesse d’écoulement de base.