Interfaces complexes : gouttes et bulles, milieux granulaires et
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Interfaces complexes : gouttes et bulles, milieux granulaires et
Interfaces complexes : gouttes et bulles, milieux granulaires et turbulence d’ondes Christophe Josserand Institut Jean Le Rond D’Alembert, CNRS-Université Pierre et Marie Curie (Paris VI) UMR 7190, Case 162, 4 place Jussieu, 75005 Paris, France. 13 mars 2008 ii Préambule Ce mémoire présente divers travaux de recherches portant sur des problèmes de dynamiques complexes d’interfaces, réalisés depuis au Laboratoire de Modélisation en Mécanique, maintenant Institut Jean Le Rond D’Alembert. Depuis mon entrée au CNRS en octobre 1999 au Laboratoire de Modélisation en Mécanique, mon activité de recherche est en fait partagée entre quatre thématiques principales : les écoulements interfaciaux, la modélisation de systèmes granulaires, quelques problèmes liés aux écoulements turbulents (fusion de tourbillons, turbulence d’ondes) et les liquides quantiques. Dans ce document, je m’attache cependant à décrire mes travaux liés aux écoulements complexes d’interface, notamment des problèmes d’impacts de gouttes pour lesquels la dynamique de l’interface, fortement déformée, est donc primordiale. En fin de manuscrit, je présente très brièvement mes travaux effectués sur la modélisation d’écoulements granulaires (écoulements sec denses cisaillés et dynamique d’érosion notamment) et un exemple de turbulence d’ondes avec les vibrations d’une plaque élastique. Comme ce document en témoigne, mon intérêt se porte en général sur des problèmes pour lesquels une approche combinée entre modélisation, calculs analytiques et approche numérique est nécessaire. Il peut d’ailleurs être particulièrement pertinent d’utiliser la simulation numérique certes pour interroger la modélisation mais aussi sous une forme appelée parfois ”expériences numériques” où les résultats des simulations servent de base au développement d’une approche analytique. L’aspect expérimental paraı̂t incontournable pour ces écoulements, il n’est qu’à voir le nombre de publications récentes sur les impacts de gouttes) et le développement de collaborations avec des équipes expérimentales a donc été un souci constant pour moi durant ce travail. Table des matières I II Qui suis-je ? 3 Quelques problèmes d’interfaces. 11 1 Splash ! 1.1 Historique et contexte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.2 Formulation générale du problème . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.2.1 Quelques ordres de grandeur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.2.2 Nombres sans dimension . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.2.3 Mise en équation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.3 Méthodes numériques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.3.1 Calcul par volume de fluide (VOF) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.3.2 Suivi d’interface par marqueur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.3.3 Méthode intégrales de frontières . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.3.4 Autres approches : ”Level Set”, champ de phase, méthode particulaire 1.3.5 Discussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13 13 15 16 18 19 20 21 24 26 27 29 2 Corolles, éclaboussures et étalements. 2.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.2 Transition splash-étalement pour les impacts sur film liquide . . . . . . . 2.2.1 Théorie visqueuse du jet . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.3 Impacts sur solide : splashes et obstacles, étalement et rétraction . . . . . 2.3.1 Déviation d’un film liquide par un obstacle. . . . . . . . . . . . . . 2.3.2 Impacts sur surfaces super-hydrophobes : étalement, rétraction et rebond . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.3.3 Etalement et rétraction lors d’un impact sur surface hydrophobe . 31 31 39 39 42 42 . . . . . . 45 . 47 3 Quelques singularités d’interface 51 3.1 Singularités et auto-similarités . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51 4 Conclusion-Perspectives 4.1 Ecoulements granulaires . . . 4.1.1 Un liquide granulaire ? 4.1.2 Méandres laminaires . 4.1.3 Perspectives . . . . . . 4.2 Turbulence d’ondes. . . . . . 4.3 Dynamiques d’interfaces . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63 63 63 64 66 67 69 2 Table des matières 4.3.1 4.3.2 III Scénario global d’impact . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70 Sélection d’épaisseurs caractéristiques . . . . . . . . . . . . . . . . . 71 Publications jointes 75 Première partie Qui suis-je ? 5 CURRICULUM VITÆ Christophe Josserand Né le 10/07/69 à Sallanches, vie maritale, 2 enfants. Chargé de Recherche au CNRS (CR1), Section 10 Institut Jean Le Rond D’Alembert UMR 7190, CNRS-Paris VI Case 162, Université Pierre et Marie Curie, 4 Place Jussieu, 75252 Paris Cédex 05. tél : 01 44 27 72 61 ; fax : 01 44 27 52 59 e-mail : josseran@lmm.jussieu.fr. http ://www.lmm.jussieu.fr/ josseran Fonctions – Octobre 1999-présent : Chargé de recherche à l’Institut Jean Le Rond D’Alembert (anciennement au Laboratoire de Modélisation en Mécanique), CNRS-Université P. & M. Curie, UMR 7190, Paris. (CR1 depuis Octobre 2002). – Septembre 2002-présent : Professeur chargé de cours à l’Ecole Polytechnique Formation – Octobre 1997-Septembre 1999 : Post-doc au James Franck Institute, Université de Chicago sous la direction de Léo Kadanoff. – 1993-1997 : Thèse de doctorat de l’université Pierre et Marie Curie (Paris VI). Sujet : ”Dynamiques de superfluide : nucléation de vortex et transition de phase du premier ordre.” Directeur de thèse : Yves POMEAU – Septembre 1994-Août 1995 : Service militaire en tant que scientifique du contingent,à l’Institut Non-Linéaire de Nice. – 1994 : Agrégation de sciences physiques, option physique. – 1993 : DEA de physique théorique de l’université Pierre et Marie Curie. – 1990-1994 : Elève à l’Ecole Normale Supérieure (Paris). Séjour de recherche à l’étranger – Mai-Novembre 2007 : Séjour au Kavli Institute for Theoretical Research de l’Université de Santa Barbara. – Octobre 1997-Septembre 1999 : Post-doc au James Franck Institute, Université de Chicago sous la direction de Léo Kadanoff. – Février-Mars 1999 : Séjour au Center for non linear studies, Los Alamos, New-Mexico. – 1992 : Janvier-Juin : stage au département de Physique de l’Ohio State University, à Columbus. Distinctions : – Prix de Mme Claude Berthault 2005 de l’Académie des Sciences. – Médaille de Bronze du CNRS 2007. 6 Encadrement – Thèse de Laurent Duchemin 10/1999-10/2002 (30%). Position : Maı̂tre de Conférences à Marseille, Laboratoire IRPHE, depuis septembre 2005. – Thèse d’Olivier Devauchelle 09/2004-09/2007 (50%). Actuellement ATER à l’Institut de Physique du Globe, Paris VII. – Stage de recherche de DEA : 6 étudiants (50%). – Stage de Master II et Projet Européen AlFa de Leonardo Gordillo, 10/2006-06/2007 (50%). Enseignement – Professeur chargé de cours à l’Ecole Polytechnique, Département de Mécanique (Mécanique des milieux continus, Mécanique des fluides). – Cours de recherche au DEA de Mécanique (24h/an) : Milieux granulaires (3 années) – Moniteur à l’Université de Versailles-Saint-Quentin (09/1995-09/1996). – Agrégé-Préparateur, Ecole Normale Supérieure (09/1996-10/1997). 7 Liste de Publications Toutes ces publications peuvent être trouvées en fichier pdf sur le site web : http ://www.lmm.jussieu.fr/ jo seran 1. F. Hayot, C. Jayaprakash and C. Josserand, ”Long Wavelength properties of the Kuramoto-Sivashinsky equation”, Physical Review E. 47, 911-915, (1993). 2. C. Josserand and Y. Pomeau, ”Generation of Vortices in a Model of Superfluid 4 He by the Kadomtsev-Petviashvili Instability”, Europhys. Lett. 30 (1), pp. 43-48 (1995). 3. C. Josserand, Y. Pomeau and S. Rica, ”Cavitation versus Vortex Nucleation in a Superfluid Model”, Phys. Rev. Lett. 75, 3150 (1995). 4. C. Josserand and S. Rica, ”Coalescence and Droplets in the Subcritical Nonlinear Schrödinger Equation”, Phys. Rev. Lett., 78, 1215 (1997). 5. C. Josserand, ”Cavitation induced by explosion in a model of ideal fluid”, Phys. Rev. E 60, 482 (1999). 6. C. Josserand, Y. Pomeau and S. Rica, ”Vortex Shedding in a Model of Superflow”, Physica D 134, 111 (1999). 7. C. Josserand, ”A 2-D asymmetric exclusion model for granular flows”, Europhys. Lett.48, 36 (1999). 8. R. Jordan and C. Josserand, ”Self-organization in nonlinear wave turbulence”, Phys. Rev. E 61, 1527 (2000). 9. D. Blair, I. S. Aranson, G. W. Crabtree, V. Vinokur, L. S. Tsimring, and C. Josserand, ”Patterns in thin high-amplitude vibrated granular layers : Interfaces, hexagons, and superoscillons”, Phys. Rev. E 61, 5600 (2000). 10. C. Josserand and G. Debregeas, ”A self-similar model for shear flows in dense granular materials”, Europhys. Lett. 52, 137 (2000). 11. C. Josserand, A. Tkachenko, D. Mueth and H. Jaeger, ”Memory effects in granular materials”, Phys. Rev. Lett. 85, 3632 (2000). 12. R. Jordan and C. Josserand, ”Statistical equilibrium states for the nonlinear Schrödinger equation”, Mathematics and Computers in Simulation 1897, 1-15 (2000). 13. C. Josserand and Y. Pomeau, ”Non-linear aspects of the theory of Bose-Einstein condensates”, Nonlinearity 14, R25-R62 (2001). 14. S. Villain-Guillot and C. Josserand, ”Non-linear growth of periodic interfaces”, Phys. Rev. E 66, 036308 (2002). 15. L. Duchemin, S. Popinet, C. Josserand and S. Zaleski, ”Jet formation in bubbles bursting at a free surface”, Phys. Fluids 14, 3000-3008 (2002). 16. Y. Renardy, S. Popinet, L. Duchemin, M. Renardy, S. Zaleski, C. Josserand, M.A. Drumright-Clarke, D. Richard, C. Clanet and D. Quéré, ”Pyramidal and toroidal water drops after impact on a solid surface”, J. Fluid Mech. 48, 69-83 (2003). 17. C. Josserand and S. Zaleski, ”Droplet splashing on a thin liquid film”, Phys. Fluids 15, 1650 (2003). 8 18. L. Duchemin, J. Eggers and C. Josserand, ”Inviscid coalescence of drops”, J. Fluid Mech. 487, 167-178 (2003). 19. C. Josserand, P.-Y. Lagrée and D. Lhuillier, ”Stationary shear flows of dense granular materials : a tentative continuum modelling”, EUR. PHYS. JOURNAL E 14 (2) : 127-135 (2004). 20. C. Josserand, ”Wave turbulence and Bose-Einstein condensates ”, C. R. PHYSIQUE 5 (1) : 77-90 (2004). 21. I. Delbende, T. Gomez, C. Josserand, C. Nore and M. Rossi, ”Different aspects of fluid vortices”, C. R. Mécanique 332, 767-781 (2004). 22. C. Josserand, ”Stability of giant vortices in quantum liquids”, Chaos 14 (3), 875 (2004). 23. C. Josserand, L. Lemoyne, R. Troeger and S. Zaleski, ”Droplet impact on a dry surface : triggering the splash with a small obstacle”, J. Fluid Mech. 524, 47-56 (2005). 24. L. Duchemin, C. Josserand and P. Clavin, ”Asymptotic behavior of the RayleighTaylor instability”, Phys. Rev. Lett. 94, 224501 (2005). 25. C. Josserand and Y. Pomeau, ”Vortices in condensate mixtures”, Phys. Rev. A 72, 023618 (2005). 26. C. Connaughton, C. Josserand, A. Picozzi, Y. Pomeau and S. Rica, ”Condensation of classical nonlinear waves”, Phys. Rev. Lett. 95, 263901 (2005). 27. D. Bartolo, C. Josserand and D. Bonn, ”Retraction dynamics of aqueous drops upon impact on nonwetting surfaces.” J. Fluid Mech. 545, 329-338 (2005). 28. C. Josserand, P.-Y. Lagrée and D. Lhuillier, ”Granular pressure and the thickness of a layer jamming on a rough incline”, Europhys. Lett. 73, 363-369 (2006). 29. D. Bartolo, C. Josserand and D. Bonn, ”Singular jets and bubbles in drop impact”, Phys. Rev. Lett. 96, 124501 (2006). 30. G. Düring, C. Josserand, and S. Rica, ”Weak Turbulence for a Vibrating Plate : Can One Hear a Kolmogorov Spectrum ?”, Phys. Rev. Lett. 97, 025503 (2006) 31. C. Josserand, Y. Pomeau and S. Rica, ”Self-similar Singularities in the Kinetics of Condensation”, J. Low Temp. Phys. 145, 231-265 (2006). 32. O. Devauchelle, C. Josserand and S. Zaleski, ”Forced dewetting on porous media.”, J. Fluid Mech. 574, 343-364 (2007). 33. C. Josserand, Y. Pomeau and S. Rica, ”Coexistence of ordinary elasticity and superfluidity in a model of a defect-free supersolid”, Phys. Rev. Lett. 98, 195301 (2007). 34. C. Josserand, Y. Pomeau and S. Rica, ”Patterns and Supersolids”, Eur. Phys. J. Special Topics 146, 47 (2007). 35. C. Josserand and M. Rossi, ”The merging of two co-rotating vortices : a numerical study”, Eur. J. Mech./B Fluids 26, 779-794 (2007). 36. O. Devauchelle, C. Josserand, P.-Y. Lagrée and S. Zaleski, ”Morphodynamic modeling of erodible laminar channels”, Phys. Rev. E 76, 056318 (2007). 37. T.H. Vo Thi, J.-L. Rouet, P. Brault, J.-M. Bauchire, S. Cordier and C. Josserand, ”A continuous non-linear shadowing model of columnar growth”, J. Phys. D : Appl. Phys. 41 (2), 022003 (2008). 9 38. N. Sepulveda, C. Josserand and S. Rica, ”Nonclassical rotational inertia fraction in a one-dimensional model of a supersolid”, Phys. Rev. B 77, 054513 (2008). actes de conférences : – R. Jordan and C. Josserand : Coherent structures and statistical equilibrium states in a model of dispersive wave turbulence, in Differential Equations and Nonlinear Mechanics, par K. Vajravelu, Editions Kluwer Academic Publishers (Avril 2000). – C. Josserand and S. Zaleski, actes du Congrès Français de Mécanique, Nancy (2001). – R. Jordan and C. Josserand : Asymptotic behavior in a model of dispersive wave turbulence, in Nonlinear PDE’s in condensed matter and reactive flows, H. Berestycki and Y. Pomeau Eds, Kluwer Academic Publishers (2002). – P. Carles, L. Duchemin, D. Gueyffier, C. Josserand and S. Zaleski : Droplet splashing on a thin liquid film, actes de l’International Conference on Multiphase Flow, NewOrleans (2001). – C. Josserand and S. Zaleski, actes de l’International Conference on Multiphase Flow, Yokohama (2004). – C. Josserand and S. Zaleski, actes de l’International Conference on Theoretical and Applied Mechanics, Varsovie (2004). – C. Josserand and S. Zaleski, actes du Congrès Français de Mécanique, Troyes (2005). ouvrages collectifs – M. Marengo, R. Scardovelli, C. Josserand and S. Zaleski, ”Isothermal drop-wall interactions : introduction to experimental and numerical studies” in The Navier-Stokes equations : theory and numerical methods, lecture notes in pure and applied mathematics, ed. R. Salvi. – C. Josserand, P.-Y. Lagrée and D. Lhuillier ”On different aspects of granular physics” in Cours de l’Ecole de Peyresq, à paraı̂tre (2008). 10 Deuxième partie Quelques problèmes d’interfaces. Chapitre 1 Splash ! 1.1 Historique et contexte Les enfants jouant à s’éclabousser ou à jeter des cailloux dans les flaques d’eau imaginentils la complexités des phénomènes qu’ils provoquent ? Quels rôles jouent les gouttes de pluie dans les échanges océan-atmosphère ou dans la dissémination de maladies végétales en agriculture ? Comment se répartissent les gouttes créées par atomisation d’un spray dans un carburateur de moteur ? Ces exemples divers illustrent bien l’importance des situations impliquant des dynamiques d’impact de gouttes. Pour bien décrire ces phénomènes, il faut avoir une compréhension précise de la manière dont une goutte de liquide interagit avec son environnement : autres gouttes, parois (chaudes ou tempérées), film liquide, surfaces structurées, etc... La difficulté provient du fait qu’il y a une grande variabilité des résultats d’une expérience d’impact. allant du simple étalement au rebond en passant par la formation de corolles, couronnes liquides et détachements de gouttelettes secondaires par exemple. Il est en effet particulièrement fascinant d’observer comment la simple projection d’une goutte de liquide sur une surface (sèche, humide ou recouverte d’un film liquide) peut engendrer une grande variété de dynamiques qui restent encore mal comprises pour l’essentiel. Pourtant, la dynamique de formation d’une corolle liquide lors de l’impact d’une goutte sur un film liquide semble n’avoir plus de secret pour le (télé)-spectateur assidu : de génériques de prévisions météo en publicités pour produits cosmétiques, nous sommes habitués à voir tout naturellement l’impact d’une goutte se transformer en une magnifique corolle de laquelle se détachent quelques gouttelettes. Ces apparentes familiarisations avec es problèmes mettant en jeu des impacts entre gouttes, des films liquides, des bulles, sont trompeuses et souvent ces illustrations sont plus le fruit de l’imagination de l’artiste que d’une expérience ou un calcul particuliers. Ces images quasi-iconographiques pour le photographe amateur cachent en fait de nombreuses interrogations qui restent à élucider. La physique des bulles, gouttes et plus généralement celle des interfaces est en fait très liée à la notion de tension de surface. On peut donc faire remonter les premières études sur ce type de problème à la fin du XVIIIeme siècle et aux travaux de Young, Laplace et Benjamin Franklin notamment. Grâce au développement rapide de la photographie, des clichés instantanés d’impacts de gouttes permirent de révéler la complexité de cette dynamique dès la fin du XIXeme siècle. Les premières études s’appuyant sur l’observation de photographies décomposant les différentes phases de l’impact remontent alors aux travaux fondateurs pour le domaine de A.M. Worthington[111]. L’impact du livre qu’il publia 14 Splash ! en 1908[112] dépassa la communauté scientifique et fit découvrir à un plus large public ces fascinantes images de splashes ! A sa suite, Edgerton, professeur au MIT, réalisa de nombreux clichés d’impact grâce à des techniques de visualisation rapide toujours plus performantes (ces nombreux travaux ont été réédités en DVD récemment par le MIT[39, 40]. Ces photographies rencontrèrent un large succès public grâce à leur diffusion dans de nombreux magazines (National Geographic, revues de photographie...) et les fameuses photographies de splashes de gouttes de lait sont devenus maintenant des ”classiques” de toute revue de photographie. Depuis Worthington, l’intérêt de la communauté scientifique pour ces problèmes d’impacts de gouttes ne s’est jamais dementie et on peut même remarquer une augmentation notable des études scientifiques et technologiques sur ce type de sujet depuis plus de vingt ans. Plusieurs raisons différentes s’ajoutent et se conjuguent pour expliquer cet intérêt : l’impact de gouttes pose toujours des questions (et des problèmes) fondamentales pour le mécanicien des fluides ; il représente un enjeu technologique et industriel réel et crucial, avec des implications nombreuses pour l’environnement ; finalement, l’impact d’une goutte sur différents types de surface est devenu un des problèmes-test (benchmark) de toute nouvelle méthode numérique multiphasique. D’un point de vue ”académique”, on observe un nombre croissant d’études et de communications traitant d’impacts de gouttes sous différentes conditions. Outre les applications nombreuses qui motivent indéniablement ces études, il me semble que l’extrême richesse des comportements résultant d’expérience finalement relativement simple à réaliser explique également cet engouement. L’impact d’une goutte sur un film liquide mince peut doner lieu à un étalement à faibles vitesses (ou grandes viscosités) où à la formation d’éclaboussures (phénomènes que nous appèlerons souvent ”splash” dans ce document , cédant à cet anglicisme qui correspond justement à cette formation d’éclaboussures lors d’un impact) au plus grande vitesse. Cependant, si l’impact se fait dans un réservoir de liquide profond, l’impact formera plutôt une cavité dont le collapse produira un jet de liquide fin et la formation d’un anneau de vorticité se dirigeant vers le fond du réservoir. De même, l’impact sur un subtrat sec peut conduire à des splashes intenses, à un étalement simple, voire au rebond partiel ou total de la goutte ! On peut aussi remarquer que le simple impact d’une goutte est le siège d’un nombre important d’instabilités hydrodynamiques et de comportements critiques : instabilités de Richtmyer-Meshkov au début de l’impact, de Kelvin-Helmotz entre la goutte qui s’étale et le fluide au repos, celle de Rayleigh-Taylor lorsque la corolle ralentit, instabilité de Rayleigh-Plateau lors du détachement des gouttes secondaires, instabilité liée à l’effet Marangoni lorsque les écarts de températures sont importants, transition transsonique etc... On peut donc imaginer une goutte en impact comme un ”micro-laboratoire” d’étude des instabilités hydrodynamiques classiques ! Cela explique aussi pourquoi il est difficile d’avoir un scénario global de la dynamique de l’impact qui permette de suivre avec précision les différentes phases de l’évolution de la goutte. De même, étant donné cette diversité des dynamiques pouvant apparaı̂tre durant l’impact, il est souvent malaisé d’obtenir (et donc de trouver dans la littérature) des règles simples et robustes décrivant les résultats de l’impact. Par exemple, des questions aussi ”banales” que ”va-ton observer un splash ou un étalement ?”, ”Combien de gouttes secondaires seront produites par le splash ?”, ”Quelles tailles feront-elles ?” ou ”Quel sera le rayon maximal d’extension de la goutte ?” peuvent engendrer une grande variété de réponses, suivant les conditions d’expérience, les régimes dynamiques considérés ou les paramètres de l’impact ! 1.2. Formulation générale du problème 15 Il est donc primordial de pouvoir extraire de ces résultats des lois d’impact les plus simples possibles ainsi qu’une théorie et leur interprétation cohérentes. Mieux comprendre les dynamiques mises en jeu lors de l’impact de gouttes est aussi une nécessité pour de nombreuses applications industrielles. Pour l’industrie automobile, il s’agit notamment de mieux maı̂triser et contrôler dans les carburateurs la taille des gouttes formées lors d’impacts ou la quantité de liquide se déposant sur les parois. En effet, la zone d’échange entre un liquide et un gaz se situe bien sûr à l’interface, c’est là qu’ont lieu les réactions chimiques de la combustion notamment ; les déformations et transformations de celle-ci lors d’un ou de plusieurs impacts peuvent donc influencer fortement ces échanges. Le ruisselement d’eau sur les pares brises ainsi que l’évacuation des gouttes de pluie sont des problématiques importantes apparues plus récemment. En aéronautique, là aussi la combustion implique de bien comprendre les phénomènes d’impact : un exemple spectaculaire concerne l’aluminium présent comme catalyseur dans les boosters d’Ariane 5. Il est projeté sous forme de gouttes d’alumine produites lors de la combustion contre les parois internes du booster et forme in fine un volume liquide important retenu dans la structure particulière du booster[51]. L’impact de gouttes entre en jeu dans de nombreux autres contextes : impression jet d’encre et fabrication de micro-circuits par jet de matière, sprays de refroidissement ou de revêtement de surface ou encapsulation en microfluidique par exemples. L’impact de goutte est aussi un facteur important de dissémination de produits ou déchets toxiques et nucléaires lors de fuites dans les circuits de production et les règles de sûreté industrielle peuvent avoir à tenir compte explicitement de ces risques. Mais n’oublions pas que l’impact de gouttes est avant tout un ”évènement naturel” dont le rôle en agriculture, dans les échanges thermiques ou chimiques en météorologie est primordial. En agriculture, l’impact de gouttes peut-être bénéfique quand elle augmente la dispersion des pollens mais cela peut aussi s’avérer dangereux pour les plantes lors des pluies violentes ou par la dissémination des pesticides ou des maladies que l’impact favorise[11]. L’impact des gouttes de pluies en mer représente aussi une contribution importante dans les échanges air-océan [20] : en effet, l’emprisonnement de bulles de gaz lors de ces impacts favorise les échanges thermiques et gazeux ; de même, l’eclatement de ces bulles d’air permet à de nombreux aérosols d’être volatilisés dans l’air [31]. Dans cette partie du manuscrit, je présente différents travaux portant sur des dynamiques d’impact de gouttes. En général, il s’agit d’une étude expérimentale et/ou numérique sur lesquels s’appuie une théorie ou une modélisation simple de l’impact. 1.2 Formulation générale du problème On considère l’impact d’une goutte sur une surface plane recouverte d’un film liquide d’épaisseur h (h = 0 correspondant ainsi à l’impact sur surface sèche), représenté sur la figure (1.1). On note ρL et ρG , µL et µG les densités et viscosités dynamiques dans le liquide et le gaz respectivement, ainsi que σ la tension de surface liquide-gaz. La goutte que l’on considérera en général sphérique de rayon R (diamètre D = 2R), est supposée tomber en incidence normale depuis une hauteur initiale d et une vitesse verticale de chute U = −U ez . A priori l’ensemble est soumis à la gravité g = −gez . Le film, d’épaisseur h, est formé du même liquide que la goutte. On peut remarquer que le problème ainsi posé contient déjà de nombreuses simplifications et qu’une formulation plus générale pourrait 16 Splash ! Fig. 1.1 – Représentation schématique de l’impact d’une goutte sur une surface plane. considérer des impacts d’incidence non normale, un substrat solide non plan ou des liquides distincts dans la goutte et le film par exemple. De même les échanges thermiques ou la présence de substances dissoutes pourraient être modélisés, permettant une prise en compte d’effets Marangoni notamment. Cependant, la situation simple présentée ici contient déjà l’essentiel des variétés de comportement observés lors d’impacts de gouttes quelconques et permet une approche systématique du problème avec un nombre limité de paramètres variables. On supposera donc les densités et viscosités des fluides ainsi que la tension de surface constants, ce qui revient notamment à considerer des fluides incompressibles. Le gaz et le fluide sont des fluides distincts (on ne considère donc pas l’équilibre entre le liquide et sa vapeur) et immiscibles. De même, nous garderons toujours à l’esprit que les fluides que nous cherchons à étudier et modéliser sont ”réalistes” : air à des pressions de l’ordre de la pression atmosphérique pour le gaz, solutions aqueuses, glycérol, alcools ou carburants (diesel, hydrogène liquide par exemple) pour les liquides. 1.2.1 Quelques ordres de grandeur Bien que les modèles et les calculs numériques s’appliquent à des impacts caractérisés par des nombres sans dimension, il est utile d’avoir à l’esprit quelques ordres de grandeur, notamment des impacts réalisés en laboratoire. Les gouttes ont en général des rayons variant de quelques microns à quelques millimt̀res. Les impacts se font à des vitesses correspondant à des chutes de gouttes réalisable en laboratoire (quelques mètres) ou à des vitesses obtenues dans des conditions ”naturelles” (pluie par exemple, soit à nouveau quelques mètres par seconde). Le temps durant lequel l’impact se produit corres- 1.2. Formulation générale du problème 17 pond à quelques temps caractéristiques τ = R/U (sauf effet particulier de la surface), soit quelques millisecondes. Ceci explique l’utilisation en laboratoire de caméra rapide (plus de 1000 images par seconde). On peut justifier l’hypothèse d’incompressibilité de l’écoulement puisque les nombres de Mach dans l’air et dans l’eau M = U/c (où U est la vitesse caractéristique de l’impact et c la vitesse du son dans le fluide) seront de l’ordre de 0.01 pour l’air et 0.001 pour l’eau. Dans le cas de très grandes vitesses d’impact, il faut prendre en compte la compressibilité du liquide notamment via la formation d’une onde choc se propageant dans la goutte : des bulles de cavitation peuvent ainsi apparaı̂tre au sommet de la goutte lorsque l’onde de choc de l’impact atteint le sommet de celle-ci et se réfléchit en onde de détente (voir la revue de M. Lesser et J. Field sur le sujet [74]). Le gaz est lui aussi considéré incompressible bien que très peu d’études (comparé à la littérature sur le sujet) font varier les caractéristique du gaz. Il est en fait couramment admis, qu’étant donné l’importante différence de densité entre le liquide et le gaz, on peut négliger l’influence du gaz sur la dynamique en première approximation (cette approximation n’est en généralement pas invoqué dans le cadre de l’atomisation en revanche). Si on néglige complètement l’influence du gaz (formellement, cela revient à prendre ρG = 0 et µG = 0) on se retrouve dans le cadre de l’approximation des écoulements à surface libre, ce qui permet notamment des traitements analytiques et numériques simplifiés. L’importance du gaz (ou tout au moins de sa compressibilité à faibles pressions) a été spectaculairement montrée récemment lors d’impacts de gouttes sur surface solide puisque diminuer la pression du gaz peut supprimer la formation du splash[114] ! L’influence du gaz sur la dynamique de l’impact reste donc en grande partie à étudier et sort des travaux présentés ici. Donc, par la suite, l’influence du gaz et sa dynamique seront souvent négligés en première approximation. Cependant, la dynamique du gaz sera résolue numériquement dans de nombreuses études numériques, ce qui impliquera de prendre les paramètres physiques du gaz compatibles avec les caractéristiques de la méthode numérique. Dans ce document, nous considérerons que la viscosité des fluides et la tension de surface liquide/gaz peuvent varier largement. Expérimentalement, alors qu’il est relativement aisé de faire varier la viscosité, la tension de surface pour les liquides couramment utilisés change peu. Sous des conditions normales de pression et température (20◦ Celsius), l’eau a pour viscosité dynamique µeau = 10−3 P a · s, assez proche de l’ethanol ( µetha = 1.19 · 10−3 P a · s, l’ether est quatre fois moins visqueux (µethe ≈ 2.3 · 10−4 P a · s) alors que le glycerol est plus de mille fois plus visqueux (µgly = 1.5 P a · s). On peut ainsi avec des solutions aqueuses eau-glycerol faire varier continûment la viscosité du liquide d’un facteur 1500 pour une faible évolution de la tension de surface. En effet, la tension de surface de l’eau pure (eau/air) vaut σeau = 0.073 P a · m assez proche de celle du glycerol (σgly = 0.064 P a · m), celles l’ethanol et l’ether étant environ trois fois plus faibles (σetha = 0.022 P a · m et σethe = 0.029 P a · m). Remarquons que parmi les liquides courants, seul le Mercure (d’usage délicat !) offre une tension de surface nettement différente (σHg = 0.425 P a · m). Finalement, bien que les expériences se fassent en général en présence de la gravité terrestre (sauf quelques expériences réalisées en micro-gravité) qui accélère les gouttes pendant leur chute, l’influence de la gravité pendant l’impact lui-même est en général négligée. En effet, le nombre de Froude, qui caractérise le rôle de la gravité pendant l’impact : 18 Splash ! Fr = √ gD U se situe en général en dessous de 0.1. Ainsi, pour un impact développant une corolle et des éclaboussures, la gravité aura certainement un rôle dans la dynamique longue de la corolle, que nous n’étudierons pas particulièrement ici. 1.2.2 Nombres sans dimension Plusieurs nombres sans dimension permettent en fait de caractériser l’impact étudié, au delà des nombres de Mach et de Froude que nous omettrons en général dans nos études. Les deux nombres caractérisants le poids relatif de l’inertie par rapport aux forces visqueuses et capillaires pour le liquide sont le plus souvent utilisés ; il s’agit du nombre de Reynolds : Re = ρL U · R µL (1.1) ρL U 2 · R . σ (1.2) et du nombre de Weber : Re = On peut quelquefois les remplacer par une combinaison de ses deux nombres, permettant de mieux mettre en évidence certains résultats. Lorsque l’on veut étudier l’influence des paramètres de la goutte autres que sa vitesse d’impact, on utilisera le nombre de Ohnesorge : √ µL We Oh = √ = . Re ρL · σ · R (1.3) D’autre part, le nombre capillaire permet de mesurer le rapport des forces visqueuses et capillaires (et est indépendant du rayon de la goutte) : Ca = µL · U We = . σ Re (1.4) A ces nombres couramment utilisés, il ne faut pas oublier d’ajouter les nombres caractérisant le rapport entre le liquide et le gaz : Rρ = ρG µG et Rµ = ρL µL ainsi que les nombres liés à la géométrie ; le raport d’aspect : Rasp = h R et dans le cas où l’on considérerait des gouttes non sphériques, $ l’ellepticité de la goutte lors de l’impact. Sauf mention contraire, nous ne ferons pas varier ces nombres au sein de chaque problème étudié dans la suite. 1.2. Formulation générale du problème 1.2.3 19 Mise en équation La dynamique de chaque fluide obéit à l’équation de Navier-Stokes (N-S par la suite) : ρi ! " ∂u + u · ∇(u) = −∇P + µi ∆u + ρi g ∂t (1.5) où l’indice i correspond soit à la phase liquide i = L, soit au gaz i = G. Le champ de vitesse est décrit par le vecteur u(x, t) où x est le vecteur position et t le temps. La gravité g a été prise en compte par souci d’une présentation générale. Nous l’omettrons par la suite. Le champ de pression P (x, t) peut être interprété comme un paramètre de Lagrange imposant l’incompressibilité de chaque fluide : ∇·u=0 (1.6) A l’interface liquide-gaz (notée symboliquement S), la tension de surface impose la condition de saut : [(−P Id + 2µD)]S · n = σκn (1.7) Id et D sont les tenseurs d’ordre deux, identité et taux de déformation : 1 D = (t ∇u + ∇u), 2 la notation [ ]S indiquant la diférence entre les valeurs de chaque côté de l’interface (orientée suivant sa normale n). κ est la courbure totale de la surface. Pour une goutte sphérique de rayon R, au repos, la différence de presion entre le liquide et le gaz extérieur correspond au résultat classique 2σ/R. D’autre part, la vitesse est continue à l’interface, en présence de fluides visqueux : [u]S = 0. Finalement, on adoptera une écriture ”mixte” valable dans tout l’espace, l’équation de Navier-Stokes diphasique : ρ ! " ∂u + u · ∇(u) = −∇P + µ∆u + σκδS n. ∂t (1.8) La densité ρ(x, t) et la viscosité µ(x, t) doivent maintenant être vues comme des champs fonction de la position et du temps. Il s’agit en fait de fonctions constantes par domaine a priori. Plus simplement, si on définit la fonction caractéristique χ(x, t), telle que : χ = 0 dans le gaz, χ = 1 dans le liquide, on peut alors définir dans tout l’espace la densité et la viscosité : ρ(x, t) = χ(x, t)ρL + (1 − χ(x, t))ρG , µ = χ(x, t)µL + (1 − χ(x, t))µG . (1.9) Ces définitions, qui peuvent sembler naturelle, cachent en fait une approximation dans le calcul de la viscosité moyenne. En effet, cette formule, dans le cas d’un cisaillement simple, se révèle exacte pour décrire un écoulement dont le taux de glissement serait 20 Splash ! constant. La définition d’une viscosité qui corresponde à un taux de cisaillement constant, plus en accord avec les conditions à imposer à l’interface, donnerait : 1 χ(x, t) (1 − χ(x, t)) = + . µ µL µG Notons qu’à ce stade cette différence n’a pas de sens puisque ces formules sont équivalentes pour les valeurs discrète de χ (= (0, 1)). En revanche, cette distinction prend tout son sens lorsqu’il faut définir la viscosité moyenne dans une maille traversée par l’interface. Dans ce cas, les deux formules proposées ne se révèlent exactes que dans les limites différentes d’écoulements de glissement simple (normal ou tangent à l’interface). Il n’est donc a priori pas possible de se donner une formule moyenne pour la viscosité et on prendra dans la suite la convention (1.9). L’évolution des champs de densité et de viscosité est donc liée à la dynamique de χ : dχ ∂χ ∂χ = + u · ∇χ = + ∇ · (χu) = 0 (1.10) dt ∂t ∂t où nous avons utilisé la propriété d’incompressibilité du champ de vitesse. Cette équation traduit ainsi simplement la dynamique particulaire de la fonction caractéristique. Cette écriture deux-fluides de l’équation de N-S que nous venons de déduire est en fait celle utilisée pour détermier la plupart des schémas numériques. 1.3 Méthodes numériques La résolution numérique de l’équation de Navier-Stokes diphasique reste un problème complexe : aux difficultés habituelles rencontrées pour la résolution de l’équation de NS monophasique (avec ρ constant et uniforme) s’ajoute la prise en compte de l’interface liquide-gaz. Cette interface, d’épaisseur nulle dans le modèle diphasique que nous utilisons, est un ensemble de courbes à lorsque le problème est bidimensionnel (2D, géométrie plane ou cylindrique), ou un ensemble de surfaces dans le cas général (3D). La difficulté mathématique est donc due à la nécessité de décrire une structure d’épaisseur nulle dans un domaine de dimension supérieure (on peut formaliser cela en notant que l’interface est de codimension 1 par rapport au domaine de calcul). Une première alternative se pose alors si on veut développer un code de calcul diphasique performant : doit-on prendre un maillage ad hoc, c’est à dire pris selon un maillage déterminé à l’avance (même si on pourra se restreindre à des sous ensembles de ce maillage, variant au cours du temps, comme c’est le cas pour un raffinement de maillage adaptatif) au sein duquel l’interface devra être soit reconstruite (méthode Volume of Fluid, notée VOF[55, 72]), soit suivie par une collection de marqueurs par exemple[108, 96] ? Doit-on au contraire utiliser un maillage asservi à l’interface soit naturellement dans le cadre d’une méthode d’intégrale de frontière, soit en utilisant un maillage orthogonale mobile propagé à partir de l’interface (voir [48, 79] par exemple) ? Toutes ces méthodes ont des avantages et des inconvénients divers et le choix de leur utilisation devrait dépendre idéalement du problème étudié, mais ce sont l’histoire et la maı̂trise d’un code de la part de l’utilisateur et plus généralement du laboratoire qui déterminent souvent la méthode utilisée. Les différentes méthodes utilisées dans le cadre de ce manuscrit (VOF, marqueurs et intégrales de frontières) sont décrites ici, suivies d’une rapide discussion générale introduisant d’autres approches. La présentation des méthodes numériques s’inspire donc largement des différentes publications du laboratoire 1.3. Méthodes numériques 21 décrivant ces schémas, et à la plupart desquelles l’auteur de ce manuscrit n’a pas ou a peu contribué[72, 76, 52, 101, 96, 33, 34]. Pour les méthodes en maillage fixe, on se donnera en général (i.e. sauf mention contraire) un maillage fixe et homogène, c’est à dire que les dimensions des mailles du calcul sont constantes dans l’espace et le temps. On notera alors dx = dy = dz = dr = h suivant que l’on sera à deux ou trois dimensions cartésiennes (x, y et éventuellement z) ou en trois dimensions avec symétrie de révolution (coordonnées cylindriques r et z). La généralisation de ces méthodes à des maillages de taille variables (permettant ainsi un rafinement de maillage dynamique) reste un problème difficile notamment pour le suivi de l’interface et le calcul des forces capillaires. A contrario, les méthodes à maillage mobile défini par l’interface sont souvent adaptatives par construction. Pour la méthode VOF (et ces nombreuses variantes), plusieurs méthodes de raffinement de maillage ont été réalisées récemment seulement ; on peut citer en particulier ici la bibliothèque de calcul Gerris développée par Stéphane Popinet[94, 95]. Par simplicité on décrira les méthodes de calcul dans le cas 2D, le passage à 3D, malgré de réelles difficultés et complications techniques, ne demande pas de changement de technique. Volontairement, seules les aspects concernant la prise en compte des interfaces seront développés (rapidement) et plus de détails pourront être trouvés dans les articles suivants [72, 76, 52, 101, 96]. 1.3.1 Calcul par volume de fluide (VOF) Les différentes quantités physique sont définies et évaluées sur la grille de maillage suivant la méthode ”markers and cells” (MAC) qui consiste à évaluer les quantités scalaires telles que la pression pij ou la fraction volumique cij au centre de chaque cellule de calcul (indicée donc par (i, j) à deux dimensions et notée Ωij ) alors que les vecteurs et les flux sont évaluées sur les faces de chaque cellule (voir figure 1.2). Fig. 1.2 – Discrétisation suivant la méthode MAC. On montre ici la fraction volumique c, la pression p et les flux de volume. La fraction volumique dans chaque maille (appelée fonction de couleur) est définie via la discrétisation de la fonction caractéristique χ : 22 Splash ! cij = # χ(r)dr Ωij Ainsi cij = 1 lorsque la maille ne contient que du liquide, cij = 0 s’il n’y a que du gaz et 0 < cij < 1 si l’interface traverse la maille. Pour reconstruire l’interface à partir de la donnée de la fonction de couleur uniquement, plusieurs options se présentent. Remarquons tout d’abord que dans l’équation de N-S, la connaissance précise de l’interface (i.e. à une échelle plus petite que la taille de la maille) n’est nécessaire que pour le calcul des termes de tension de surface et éventuellement pour le terme de pression. En effet, il faut être capable d’estimer le plus précisement possible la valeur moyenne de la courbure dans la maille de calcul, ainsi que le vecteur normal associé. De même, la position du centre de la maille (là où se calcule la pression) par rapport à l’interface peut aider à déterminer plus précisément les gradients de pression numériques. Finalement, la connaissance de la position de l’interface est très importante pour le calcul des termes d’advection de masse (eq. (1.10)) et de quantité de mouvement (dans N-S). La simplification supplémentaire faite en général dans le cadre des méthodes VOF consiste à reconstruire l’interface sous forme de segment dans chaque maille traversée. Cette approximation se justifie dans la mesure où il peut sembler illusoire de décrire l’interface plus précisément avec la seule connaissance de la fraction volumique dans chaque cellule. Dans un premier temps, les méthodes développées se sont attachées à reconstruire l’interface sous la forme de segments parallèles à un des axes du maillage (plan a 3D), comme indiqué sur la figure 1.3. Fig. 1.3 – Reconstruction de l’interface (représentée en trait épais) par des segments alignés avec les axes du maillage (méthode SLIC). On peut imaginer une reconstruction plus fine en prenant des segments d’orientation quelconque et en imposant la continuité de l’interface. On appelle généralement ces deux métodes VOF/SLIC (simple linear interface calculation) et elles se révèlent toutes les deux assez imprécises car elles ne tiennent finalement pas compte explicitement de l’orientation réelle de lnterface (définie par sa normale n. 1.3. Méthodes numériques 23 La technique la plus utilisée dans le cadre des méthodes VOF consiste en fait à estimer le vecteur normal à l’interface, défini via le gradient de la fonction de couleur ∇c et à construire l’interface sous forme de segments orthogonaux à cette normale en chaque cellule contenant l’interface (voir figure 1.4). Le calcul des termes d’advection dans les équations d’évolution se révèlent être bien plus précis dans ce cadre là. Notons que le calcul du gradient de c devant se faire au centre de la cellule, cela nécessite un calcul par différence finie sur neuf points à deux dimensions et donc vept-sept points à 3D. On nomme les différentes méthodes s’inspirant de cette technique généralement VOF/PLIC (piecewise linear interface calculation). Il s’agit de la méthode utilisée pour les codes VOF dans ce manuscrit[76, 52]. Fig. 1.4 – Reconstruction de l’interface (représentée en trait épais) par des segments orientés par la normale de la fraction volumique (méthode PLIC). L’intégration temporelle du système d’équations (1.6,1.8,1.10) se fait en plusieurs étapes successives. Tout d’abord l’équation (1.10) est résolue via la propagation de l’interface suivant le champ de vitesse. Cette propagation se fait suivant chaque direction principale (x et y) successivement et permet de calculer le champ de couleur actualisé au pas de temps suivant. L’équation de Navier-Stokes (1.8) et l’incompressibilité (1.6) sont ensuite résolues en deux étapes : tout d’abord un champ de vitesse u∗ explicite est prédit en ne prenant pas en compte la pression dans la dynamique. Le champ de vitesse ainsi obtenu ne satisfait pas la condition d’incompressibilité et une équation de Poisson sur la pression permet de déterminer la pression et le champ de vitesse actualisé : ! " 1 ∇ ∇P = ∇ (u∗ · ∇(u∗ )) ρ 1 u = u∗ − ∇Pdt ρ où dt est le pas de temps. Finalement, la résolution de l’équation de Poisson se fait grâce à un shéma multi-grille[14] qui permet d’accélérer la dynamique de relaxation vers le champ 24 Splash ! de pression voulu. La figure (1.5) illustre l’impact d’une goutte sur un film liquide calculé par la méthode VOF en géométrie cylindrique. Le champ de densité est montré pour différents temps après le début de l’impact. Fig. 1.5 – Impact d’une goutte de rayon 1 mm et de vitesse U0 = 3m · s−1 sur un film du même liquide de 0.5 mm d’épaisseur calculé par laméthode VOF. Le liquide a la même densité que l’eau ρ = 1000kg · m−3 , mais est dix fois plus visqueux µ = 0.01kg · m−1 · s−1 . Le gaz est environ deux fois plus dense que l’air ρ = 2kg · m−3 et vingt fois plus visqueux µ = 2 · 10−5 kg · m−1 · s−1 . La tension de surface est la même que pour l’interface air/eau : σ = 0.07kg · s−2 . Les nombre de Weber et de Reynolds valent donc We = 129 et Re = 300. Les profils de densité sont représentés aux temps t = 0.05, t = 0.25, t = 0.5 et t = 0.75 ms, soit t/τ = U0 t/R0 = 0.15, 0.75, 1.5 et 2.25, de gauche à droite et de haut en bas. Dans les travaux liés à ce manuscrit, la méthode VOF a été utilisé pour étudier la dynamique de splashes sur film liquide[70] et le contrôle de l’impact par une irrégularité de surface[67]. 1.3.2 Suivi d’interface par marqueur La méthode des marqueurs consiste à imaginer des points matériels (marqueurs) attachés à l’interface. Cette méthode a été développé par Stéphane Popinet durant sa thèse au LMM, sous la direction de Stéphane Zaleski[96]. Je décris ici succinctement les différentes particularités de cette méthode. Leur dynamique est donc simplement donnée par leur 1.3. Méthodes numériques 25 vitesse Lagrangienne, extrapolée à partir du champ de vitesse. L’interface est reconstruite à l’aide de polynômes reliant les marqueurs entre eux et permettant ainsi de calculer simplement la résultante des effets capillaires sur chaque maille, comme le montre la figure (1.6). En effet, la connaissance des points d’intersection de l’interface avec les faces de la maille de calcul ainsi que le vecteur tangent à l’interface donne simplement la force capillaire, proportionnelle à la différence des deux vecteurs tangents (tB − tA suivant la figure (1.6)). La reconstruction polynomiale doit donc assurer que l’interface et les vecteurs tangents soient continument différentiables afin d’obtenir un calcul cohérent des effets capillaires. Pour cela, des polynômes d’ordre au moins trois sont nécessaires et suffisants (des polynômes d’ordre 3 sont utilisés dans les simulations numériques. Fig. 1.6 – Illustration de la méthode des marqueurs : des marqueurs (non représentés sur la figure) permettent une description continument différentiable de l’interface et des vecteurs tangents à l’interface. Leur différence de chaque part d’une maille de calcul donne la tension capillaire agissant sur la maille. La connaissance très précise de la position ”réelle” de l’interface permet de connaı̂tre la position du noeud de calcul par rapport à l’interface : il est ainsi possible d’avoir une meilleure estimation de la contribution de la pression dans chaque maille en ”corrigeant” cette contribution. En effet, il convient alors plutôt de pondérer la contribution de la pression sur une face de la maille traversée par l’interface par les valeurs de la pression aux noeuds les plus proches dans la même phase fluide (pour plus de détails, voir [96]). Une fois l’interface déterminée par la position des marqueurs et leurs polynômes associés, le calcul du champ de couleur ci,j est immédiat par intégration et il est donc actualisée via l’actualisation de la position des marqueurs. L’équation de Navier-Stokes est alors résolue de manière similaire à la méthode VOF (la contribution de la tension de surface et de la pression comme expliqué ci-dessus) en utilisant notamment une méthode multi-grille pour assurer l’incompressibilité. Dans les travaux présentés dans ce manuscrit, la version surface libre de cette méthode a été utilisée. Cette version consiste formellement à supposer que le fluide extérieur est de densité nul, ce qui donne une condition de cisaillement nul à l’interface (surface libre). L’impact d’une goutte sur un film liquide est présenté figure (1.7). Les paramètres du liquide sont les même que pour le cas VOF, mais le calcul est fait dans l’approximation surface libre pour le gaz. 26 Splash ! 4 4 ’toto.mov.0001’ u ($2)/51.2:($1)/51.2 3.5 3 3 2.5 2.5 2 2 1.5 1.5 1 1 0.5 0.5 0 0 0.5 1 4 1.5 2 2.5 3 3.5 0 4 0 0.5 1 4 ’toto.mov.0030’ u ($2)/51.2:($1)/51.2 3.5 1.5 2 2.5 3 3.5 4 ’toto.mov.0045’ u ($2)/51.2:($1)/51.2 3.5 3 3 2.5 2.5 2 2 1.5 1.5 1 1 0.5 0.5 0 ’toto.mov.0015’ u ($2)/51.2:($1)/51.2 3.5 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 0 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 Fig. 1.7 – Même impact que dans le cas précédent (VOF) mais simulé par la méthode marqueur avec surface libre. La forme de l’interface est représentés aux temps t = 0.05, t = 0.25, t = 0.5 et t = 0.75 ms, soit t/τ = U0 t/R0 = 0.15, 0.75, 1.5 et 2.25, de gauche à droite et de haut en bas. La méthode marqueurs avec surface libre est liée aux travaux de collapse d’une bulle sous l’action capillaire[35] et l’impact d’une goutte sur surface super-hydrophobe[100]. Dans ce cas pour lequel l’angle de contact du liquide sur la surface est très proche de 180◦ , on obtient un très bon accord qualitatif entre les expériences et les simulations numériques (voir figure (1.8). 1.3.3 Méthode intégrales de frontières Dans le cas d’un écoulement avec interface pour un fluide parfait (de viscosité nulle) incompressible, on peut utiliser une propriété importante liée au potentiel de vitesse dont le Laplacien est alors nul dans le volume liquide : la connaissance du potentiel vitesse sur l’interface suffit à déterminer le champ de vitesse en tous point du volume liquide. Alors, on peut remarquer que la dynamique de l’interface se fait simplement en calculant le champ de vitesse à l’interface, de même que l’actualisation du potentiel vitesse se fait là aussi sur l’interface seulement via l’équation de Bernoulli. Cette méthode où finalement tout le calcul se ramène à des calculs (certes d’intégrales divergentes) sur l’interface seulement, s’appelle la méthode par intégrales de frontières (Boundary Integral Methods ou BIM en anglais). Son utilisation en simulation numérique en mécanique des fluides remonte au papier fondateur de Baker, Meiron et Orszag en 1980[4]. Un avantage apparent de cette méthode réside dans le fait que tous les calculs se font uniquement sur l’interface, indexée par une série de marqueurs. Même si la détermination de la vitesse en chaque point de l’interface nécessite le calcul d’une intégrale le long de l’interface, cette méthode est particulièrement rapide. Les travaux liés aux intégrales de frontière (toujours en collaboration 1.3. Méthodes numériques 27 Fig. 1.8 – Comparaison entre expérience et simulation numérique pour l’impact d’une goutte d’eau sur une surface hyper-hydrophobe, dont l’angle de contact est expérimentalement très proche de 180◦ , alors que le code marqueur prend précisément cet angle comme conditions aux bords sur le solide. Notons, la forme elliptique initiale de la goutte due à sa chute. On observe un très bon accord entre les profils de gouttes expérimentaux et ceux obtenus par simulation numérique. avec Laurent Duchemin) ont porté sur la fusion inviscide de deux gouttes[33] et le comportement asymptotique du pic formé par l’instabilité de Rayleigh-Taylor en surface libre[34]. Dans ces deux cas, une technique de raffinement de maillage adaptatif a été développé et les détails de l’implémentation de la méthode BIM ainsi que du raffinement de maillage sont décrits en détail dans ces deux publications. La figure (1.9) illustre la dynamique du pic formé par l’instabilité de Rayleigh-Taylor dans ce cas. 1.3.4 Autres approches : ”Level Set”, champ de phase, méthode particulaire Il reste essentiellement trois autres approches à décrire pour finir ce rapide panorama rapide des différentes méthodes numériques permettant de prendre en compte l’interface (i.e. sa cinématique et la dynamique du fluide environnant) : la méthode ”Level Set”, les méthodes dites de champ de phase ou de second gradient et la méthode particulaire. La méthode ”Level Set” consiste à définir une fonction distance F (r, t) de l’interface telle que celle-ci soit donc définie par F (r, t) = 0 28 Splash ! Fig. 1.9 – Développement de l’instabilité de Rayleigh-Taylor en fonction du temps. Le liquide est en haut, la gravité orientée vers le bas. La condition initial est une sinusoı̈de de longueur d’onde la largeur du domaine, d’amplitude très faible. La courbe de gauche montre les différents profils de l’interface pour différents temps. La courbe de droite représente la vitesse verticale en fonction du temps pour plusieurs points répartis de manière homgène sur l’interface. On discerne notamment la dynamique d’accélération des points près du pic et la remontée à vitesse constante de la bulle. à chaque instant. F est donc pris comme la distance du point considéré à l’interface. On advecte l’interface via la cinématique de cette fonction F qui satisfait : DF =0 Dt où l’opérateur D/Dt correspond à la dérivée particulaire. Une dynamique de relaxation est ensuite introduite pour maintenir la norme du gradient de F égale à l’unité. Cette méthode est très précise quant à la prise en compte des effets capillaires (on suit l’interface plutôt que de la reconstruire) et elle permet aussi de traiter les changements topologiques de l’interface (détachement, fusion) sans artifice particulier. En revanche, cette méthode ne conserve pas la masse de manière satisfaisante et doit donc être couplée avec d’autres techniques (par exemple particulaires) pour améliorer cette faiblesse. Pour trouver une description plus détaillée de la méthode Level Set voir par exemple[92, 103, 91, 84]. La méthode dite de champ de phase ou de second gradient consiste à introduire un paramètre d’ordre supplémentaire qui passe continûment d’une valeur fixe à une autre au travers d’une interface. La dynamique de ce paramètre d’ordre est souvent déduite d’une équation de conservation de type Cahn-Hilliard liée à un Hamiltonien du paramètre d’ordre décrivant l’équilibre thermodynamique entre les phases. La tension de surface apparaı̂t alors naturellement comme l’énergie liée à l’interface et les effets capillaires se trouvent inclus dans la dynamique générale. Le système d’équations final est donc constitué d’un couplage entre ce paramètre d’ordre et le champ vitesse. Ce modèle prend ainsi naturellement en compte les transitions de phase entre les fluides (évaporations, solidification par exemple). Cette modélisation, par sa prise en compte en compte intrinsèque de la tension de surface, est très séduisante ; elle permet de plus une approche intéressante de la 1.3. Méthodes numériques 29 dynamique de la ligne de contact dans le cas d’écoulements à trois phases[102]. Cependant, cette description ”épaisse” de l’interface est particulièrement délicate à mettre en oeuvre dans la limite (souhaitée pour les interfaces air-eau qui nous intéressent) où l’épaisseur de l’interface doit être très faible. Pour un lecteur intéressé, voici quelques exemples d’utilisation de cette méthode pour les écoulements diphasiques[88, 58, 59]. La formation d’une interface périodique entre deux fluides dans le cadre d’un de ces modèles de champs de phase, l’équation de Cahn-Hilliard, a été l’objet d’une collaboration avec S. Villain-Guillot, où nous avons obtenu une description analytique de la phase non-linéaire de la croissance (voir la publication [109], ces travaux n’étant pas évoqués plus loin). Finalement, on peut décrire la dynamique d’une interface (surface libre notamment) par une méthode Lagrangienne de suivi de particule. L’interface est alors déterminée à partir de la position des différentes particules du liquide advectée par le champ de vitesse. Une description détaillée de cette méthode particulaire appelée ”Smoothed Particles Hydrodynamics” ou SPH peut être trouvée dans les références suivantes par exemple[85, 86, 90]. 1.3.5 Discussion Les différentes méthodes évoquées ci-dessus présentent toutes des points forts indéniables mais aussi des handicaps importants dans la simulation d’écoulements diphasiques. Le choix d’une méthode plutôt qu’une autre devrait ainsi être adapté au problème que l’on cherche à résoudre. Malgré tout, on peut extraire quelques tendances et influences récentes qui expliquent le succès grandissant de certaines de ces méthodes. Ainsi, les méthodes de type VOF ont l’avantage d’être robustes et de conserver la masse avec grande précision : en effet, la reconstruction d’interface n’exige aucune restriction topologique sur les propriétés de l’interface. En revanche, la ”diffusion” intrinsèque de l’interface sur les mailles voisines via le calcul des forces capillaires essentiellement, conduit à la présence de courants parasites assez importants qui altèrent la précision de la méthode. Pour les méthodes basées sur le suivi de marqueurs, les termes capillaires et la pression sont pris en compte avec une précision accrue et bien contrôlée, mais alors les changements topologiques de l’interface nécessitent un traitement particulier. Remarquons que bien qu’une telle prise en compte compliquerait fortement la méthode, elle permettrait d’introduire les comportements auto-similaires en jeu lors de la coalescence ou la séparation fluides. Le calcul par intégrale de frontière se rapproche d’une méthode marqueur par sa prise en compte des termes capillaires et de la pression et par sa difficulté à modéliser les changements topologiques. D’autre part, il concerne les écoulements inviscides et reste donc principalement intéressant pour des études modèles. Finalement, notons que ces deux dernières méthodes (marqueurs et BIM) sont assez complexes à mettre en oeuvre à trois dimensions spatiales alors que cela se fait de manière plus systématique dans le cas VOF, avec une implémentation en parallèle naturelle (voir par exemple [52] La tendance actuelle des méthodes numériques pour interface se dirige, à mon avis, vers deux directions prometteuses : d’une part, le raffinement de maillage adaptatif, qui permet de traiter la dynamique proche de l’interface en résolution plus fine et si possible alors, de réduire les erreurs numériques ; un couplage de méthode d’interface différentes pour améliorer les méthodes de suivi ou de capture d’interfaces. Par exemple, un couplage entre une méthode particulaire proche de l’interface avec une approche Level Set permet de diminuer fortement la perte de masse de cette dernière méthode[46] ; de manière similaire, 30 Splash ! on peut envisager une méthode VOF pour la partie advection de l’interface et Level Set ou marqueur pour la prise en compte des termes capillaires et de pression1 . 1 Communication privée avec F. Gibou Chapitre 2 Corolles, éclaboussures et étalements. 2.1 Introduction L’impact d’une goutte sur un film liquide ou un substrat sec peut engendrer des résultats aussi divers que l’éjection de gouttelettes, la formation d’une corolle liquide, l’adhésion ou au contraire le rebond de la goutte sur substrat. Dans ce chapitre, nous décrivons quelques résultats obtenus lors de l’étude d’impacts de gouttes sur films liquides minces ou sur substrats secs hydrophobes voire super-hydrophobes. La surface de ces solides peut aussi être lisse ou présenter de fortes aspérités. L’angle de contact entre l’interface et le solide varie d’un solide à un autre et varie aussi en général en fonction de la vitesse de l’interface. La prise en compte de la dynamique précise proche de cette ligne triple reste encore incomplète, soit analytiquement (seuls des modèles empiriques décrivent cette dynamique[23, 110], quelques approches en théorie de lubrification peuvent traiter des problèmes stationnaires essentiellement[44]), soit numériquement (voir par exemple l’implémentation dans la méthode VOF d’une loi empirique pour la dynamique de la ligne triple[99]). Malgré des différences importantes entre ces impacts sur solides ou films liquides, il est intéressant d’observer quelques comportements similaires lors de ces impacts effectués dans des conditions variées. Ainsi, on a pu remarquer que l’essentiel de la dynamique de la goutte aux temps courts était déterminée par l’inertie incidente de la goutte et la conservation de la masse. Ceci apparaı̂t clairement dans le comportement du rayon d’étalement de la goutte en fonction du temps. Ce rayon d’étalement R(t) est défini de manière naturelle à partir de la surface d’étalement de la goutte sur le film ou le substrat. On entend par temps ”courts” ou ”longs”, des petits ou grands rapports entre le temps depuis le début de l’impact avec le temps caractéristique de l’impact R0 /U0 . Des simulations numériques sur films minces et solide super-hydrophobes (i.e. dont l’angle de contact est maintenu à 180◦ tout au long du calcul) montrent que de rayon d’étalement se comporte comme le rayon de l’intersection de la goutte incidente à vitesse constante U0 avec le film/substrat (voir figure (2.1)) : R(t) ∼ $ 2R0 U0 t (2.1) Ni la viscosité ni la tension de surface n’interviennent dans cette loi, même si la tension de surface dans le cas d’impacts sur solides se révèle rapidement ralentir cette expansion, 32 Corolles, éclaboussures et étalements. 10 1.2*sqrt(2*x) R(t)/R0 r/D 1 0.1 0.01 0.01 1 0.1 0.01 0.1 1 0.1 1 dimensionless time 10 100 Ut/D Fig. 2.1 – Rayon d’expansion de la goutte en fonction du temps lors d’impacts sur a) films liquides, b) surfaces super-hydrophobes. Pour des viscosité de liquide variées. Pour chaque courbe, la droite représente la loi (2.1) avec un préfacteur multiplicatif 1.2. jusqu’à provoquer la rétraction de la goutte. En revanche, dans le cas de l’impact sur films liquides, cette loi se révèle être correcte bien au-delà de la validité de l’argument géométrique. Yarin et Weiss[115] ont donné un argument convaincant pour cette dynamique aux temps longs à partir de équations inviscides des films minces. Le champ de vitesse d’étalement obéit à une équation de Burgers, caractéristique de la formation de choc. En interprétant la corolle formée éventuellement par l’impact comme la signature du choc crée par la collision entre la goutte et le film initial, ils obtiennent une loi d’étalement proportionnelle à la formule géométrique (2.1). Le raccord précis entre la loi géométrique et la propagation cinématique de choc du film mince reste encore cependant à étudier. De même, on a pu remarquer que le champ de pression dans la goutte aux temps courts de l’impact ne dépendait pas de la viscosité ni de la tension de surface, sauf dans la région proche de l’interface où un jet peut être éventuellement créé[70]. On peut observer ceci sur la figure (2.2) qui montre le champ de pression dans la goutte au même instant pour différentes viscosités. Ces champs de pression ont été obtenus par simulation numérique par la méthode marqueur pour des gouttes de rayon R0 = 1 mm et de vitesse incidente U0 = 2 m · s−1 . La tension de surface et la densité sont celles de l’eau. On peut retrouver ce champ de pression du à l’inertie de l’impact par un argument de conservation de la quantité de mouvement assez simple, qui s’inspire de la méthode de pression impulsive (particulièrement bien décrites par Cooker et Peregrin[22]). Cet argument part d’une hypothèse d’autosimilarité du champ de pression aux temps courts qui consiste à estimer que la région de la goutte incidente où le champ de vitesse est perturbé se comporte comme R(t). Les champs de pression obtenus à différents temps après l’impact montrent clairement cette autosimilarité sur la figure (2.3). Le volume de la goutte V (t) dont la vitesse verticale est passée de U0 à zero (si on considère qu’après l’impact l’essentiel de la vitesse est horizontal) se comporte donc comme : 2 V (t) ∼ πR(t)3 3 Et on obtient pour l’ordre de grandeur du champ de pression P (t) créé par l’impact sur la surface d’intersection de rayon R(t) à la base de la goutte, en faisant le bilan de quantité de mouvement verticale, la relation : 2.1. Introduction 33 πR(t)2 P (t) ∼ ρL U0 dV (t) dt Ce qui donne après simplifications : P (t) ∼ ρL U02 % 2R0 U0 t (2.2) Cette loi d’échelle pour l’ordre de grandeur de la pression est en bon accord avec les simulations numériques sur films liquides ou sur surface super-hydrophobes (voir la figure (2.4)). On remarque notamment une chute importante de la pression lorsque t/τ ≥ 1, qui correspond justement à la fin de la validité de l’argument de similarité proposé (puisque toute l’inertie verticale de la goutte a été ”déviée” par le champ de pression). On peut encore raffiner cette approche en considérant cette fois le même bilan de quantité de mouvement entre les rayons r et r + dr, ce qui permet d’obtenir un champ de réponse impulsive de la pression de la forme : ρL U02 R0 P (t) P (r, t) = $ = % & '2 R(t)2 − r2 r 2 1 − R(t) (2.3) dont le comportement quadratique en r pour r ( R(t) peut être observé sur la figure (2.5). A nouveau, on remarque que le champ de pression ne dépend que très faiblement de la viscosité du liquide ou de la tension de surface. On peut alors s’interroger sur l’influence de la viscosité et de la tension de surface sur la dynamique de l’impact. Il est pourtant évident qu’elles jouent un rôle important notamment dans la formation et la structure des nappes liquides éjectées lors de l’impact. Ces jets sont souvent à l’origine de la formation de gouttelettes expulsées par l’impact, à des temps très courts (souvent appelé alors ”prompt splash” avec des gouttelettes de tailles très reduites, de l’ordre du micromètre de diamètre), et/ou plus tard lorsque la corolle éventuellement produite de déstabilise en gouttelettes de rayons plus important (de l’ordre du dixième de millimètres). Lorsque l’impact est fait à faibles vitesses (ou comme nous allons le voir, forte viscosité et/ou tension de surface élevée) aucun jet n’est formé et la goutte s’étale, soit sur le film liquide, soit sur le substrat. La transition splash/étalement ainsi définie se trouve de manière surprenante suivre une loi expérimentale similaire pour les impacts sur films minces ou sur solides (voir figure (2.6) et les articles expérimentaux[104, 115, 87]). Ce critère de transition fait intervenir une combinaison entre l’inertie, la dissipation visqueuse et la tension capillaire sous la forme : We · √ Re = K (2.4) où K est un nombre sans dimension, appelé paramètre de splashes, qui dépend des détails de la géométrie considérée, de manière plus ou moins connue. Ainsi pour l’impact sur film liquide, ce nombre dépend en particulier du rapport d’aspect R0 /h entre le rayon de la goutte et l’épaisseur du film. Pour les impacts sur surface solide, le nombre K est dépendant en premier lieu de la rugosité de la surface solide, suivant une loi empirique obtenue expérimentalement : 34 Corolles, éclaboussures et étalements. Dans les deux cas, très peu de choses sont connues sur l’influence du fluide extérieur (l’air en général) sur le critère de splash. Il a été montré récemment que la pression extérieure lors de l’impact sur surface solide jouait un rôle important sur la transition entre étalement et splashes[114] : on peut ainsi supprimer totalement le splash en diminuant la pression de l’air suffisamment. Avec Stéphane Zaleski, nous avons tâché d’éclairer le rôle de la viscosité dans cette dynamique permettant d’expliquer la loi (2.4). En s’appuyant sur des simulations numériques avec des viscosités différentes, nous avons montré que l’épaisseur du jet produit par l’impact était sélectionné par une longueur visqueuse. La loi (2.4) se retrouve alors simplement à partir d’un argument de bilan de quantité de mouvement dans le jet. On compare alors en fait la vitesse de ”recul” du jet due à la tension de surface (appelée vitesse de Taylor-Culick[105, 25]) et la vitesse d’éjection de liquide obtenue par conservation de la masse. Cette approche est décrite avec plus de détails dans le paragraphe 2.2 auquel est joint la publication[70]. La formation d’un splash et/ou d’une corolle liquide peut-être provoquée lors de l’impact sur une surface solide par la présence d’irrégularités de la surface. Cet effet, qui se manifeste en fait par la dépendance de la loi (2.4) suivant la rugosité de la surface peut s’étudier de manière plus systématique en créant une irrégularité importante de la surface en un point. Avec Luis Lemoyne, Richard Troeger et Stéphane Zaleski, nous avons étudié expérimentalement dans un premier temps, puis numériquement de manière simplifiée ensuite, la déviation du film obtenu lors de l’impact par la présence d’une marche de faible épaisseur. Nous avons notamment cherché à comprendre l’angle de déviation de la corolle en fonction des données du problème (voir le paragraphe 2.3.1 avec la publication jointe[67]). Le paragraphe 2.3.2 et la publication jointe[100] décrivent une collaboration notamment avec Yuriko Renardy dans laquelle on réalisait une comparaison qualitative détaillée entre les expériences d’impacts sur surfaces super-hydrophobes et des simulations numériques par méthode marqueur imposant un angle de contact de 180◦ . Ce travail illustre à mon avis à la fois le niveau de précision atteint par les méthodes numériques récemment développées, qui sont capables de bien reproduire une dynamique déjà complexe de déformation d’interface et une utilisation prédictive du numérique qui permet d’avoir accès à des quantités difficilement mesurables expérimentalement. Finalement, le dernier paragraphe 2.3.3 de ce chapı̂tre correspond à un article de collaboration expérimentale avec Denis Bartolo et Daniel Bonn sur les différents régimes d’étalement et de rétraction d’une goutte lors de l’impact sur une surface hydrophobe (mais non super-hydrophobe)[7]. On décrit notamment un régime de rétraction dominé par la dynamique fortement hors d’équilibre de la ligne de contact mobile, via la relaxation de l’angle de contact vers sa valeur d’équilibre. A contrario, cette étude illustre les limites d’approches numériques ne prenant pas correctement en compte des effets localisés tels que la dynamique de la ligne triple ; en effet, aucune étude numérique avec les méthodes à notre disposition ne s’est révélée réellement pertinente dans le cadre de ce travail. 2.1. Introduction 35 Fig. 2.2 – Champ de pression obtenu à t = 10−4 (soit t/τ = 0.2) par la méthode marqueur pour l’impact d’une goutte sur une surface super-hydrophobe à la vitesse de 2 m·s−1 . Les paramètres physiques de la goutte sont proches de ceux de l’eau (ρL = 1000 kg·m−3 , σ = 0.05 kg·s−2 , pour des viscosité variant de celle de l’eau 0.001 à 0.005, 0.01 et 0.05 (kg·m−1 ·s−1 ) de gauche à droite et de haut en bas respectivement. On observe très peu de variation du champ de pression pour des nombre de Reynolds variant ainsi de 40 à 2000. 36 Corolles, éclaboussures et étalements. Fig. 2.3 – Champ de pression pour l’impact précédent avec la viscosité 0.005 kg·m−1 ·s−1 à différents temps t/τ = 0.08, 0.12, 0.2 et 0.32, de gauche à droite et de haut en bas respectivement. On observe ainsi que les variations importantes du champ de pression sont essentiellement situées dans une zone de taille R(t) proche de la paroi. Ces différents champs suggèrent une loi d’échelle autosimilaire pour le champ de pression. 2.1. Introduction 37 1e+01 10 1./sqrt(x) 1 1 P(t)/P0 Pressure 0.1 0.1 0.01 0.001 0.01 1e-04 1e-05 0.001 0.01 a) 0.1 t/! 0.1 1 dimensionless time 1 b) Fig. 2.4 – Mesure de l’ordre de grandeur de la pression dans le cadre d’un calcul d’impact a) sur film mince (VOF) b) sur surface super-hydrophobe (marqueurs). La pression est adimensionnée par la pression dynamique P0 = ρL U02 et le temps t/τ = U0 t/R0 . a) représente la valeur de la pression maximale, obtenue à la base de la corolle formée pour des différentes viscosités ; b) correspond à la valeur de la pression au centre de la zone d’impact z = 0 et r = 0. Les courbes sont obtenues pour différentes viscosités et tensions $ de surface. Les droites indiquent la loi ∼ 1/ t/τ . a) b) Fig. 2.5 – Profil radial du champ de pression en z = 0 en fonction à différents temps dans le cas d’une simulation d’un impact de goutte sur surface super-hydrophobe par la méthode Marker (W e = 80 et Re = 2000). a) Profil radial P (r, t)/P (0, t) en fonction de r/R0 b) P (r, t)/P (0, t) − 1 en fonction de r/R(t) en log-log. La droite correspond au profil parabolique valable aux faibles r suivant la formule (2.3). 38 Corolles, éclaboussures et étalements. a) b) Fig. 2.6 – Evaluation expérimentale de la transition entre splashes et étalement pour des impacts de gouttes sur a) solide sec (figure empruntée à Mundo et al.[87], page 162) et b) film liquide mince ((figure empruntée à Yarin et Weiss[115], page 149). Les lois empiriques obtenues se ramènent à la formule (2.4) une fois l’écriture suivant les nombres sans dimension appropriés effectuée. 2.2. Transition splash-étalement pour les impacts sur film liquide 2.2 2.2.1 39 Transition splash-étalement pour les impacts sur film liquide Théorie visqueuse du jet Le rôle de la viscosité et de la tension de surface sur la formation d’un splash et donc d’éclaboussures semble difficile à élucider à partir des variations de quantités telles que la pression ou le rayon d’expansion de l’impact. Cependant, la formule (2.4) montre d’une part que que ces paramètres sont primordiaux et qu’ils interagissent de manière complexe. On peut aussi observer les changements des profils de densité pour des impacts qui diffèrent par des variations de viscosité importantes (voir figure (2.7)). Fig. 2.7 – Profils de densités obtenus avec une méthode VOF pour W e = 8000 et des nombres de Reynolds Re = 1000, 100 et 40 de gauche à droite. Le rapport d’aspect entre l’épaisseur du film (coloré en gris clair) et le diamètre de la goutte est 1/6. Les liquides du film et de la goutte sont les mêmes et la différence de couleur est là pour illustrer la provenance du liquide formant la corolle. On peut alors observer que ces variations sont essentiellement concentrées dans la corolle (si elle est formée) et notamment à la base de la corolle (ou plus généralement dans la zone d’expansion de l’impact, i.e. proche de R(t)). Le calcul du champ de vorticité dans l’écoulement (voir figure (2.8)) permet de voir qu’en effet, de la vorticité est précisément créée dans cette zone, et d’autant plus forte que le nombre de Reynolds est élevé. Pour expliquer la création de vorticité dans cette région, on peut invoquer la relation de Kelvin qui indique qu’un écoulement le long d’une interface courbée produit de la vorticité. Or la zone d’expansion de l’impact est précisément une région à forte courbure le long de laquelle le liquide de la goutte glisse dans le liquide du film au repos. D’autre part, cette zone est aussi le siège d’un pic de pression et donc d’un gradient de pression qui tend à vouloir expulser le liquide (ce qui, en l’absence d’une surface libre ne créerait pas de vorticité cependant). Ceci explique que la vorticité soit créée sous la forme d’un dipôle correspondant à l’émission d’un jet de liquide (la figure (2.8) correspond effectivement à des situations où un splash est observé). La vorticité est donc produite sur l’interface même et est ensuite diffusée dans le liquide (mais aussi dans une moindre mesure dans le gaz où la viscosité est en fait bien plus faible). On se trouve finalement en présence d’une dynamique assez classique de développement d’une couche limite visqueuse à partir de la surface libre courbée et en mouvement. Dès lors, on peut estimer que la zone de diffusion de la vorticité √ doit évoluer à priori comme lν ∼ νt, ce qui n’est pas évident à observer sur la figure 40 Corolles, éclaboussures et étalements. Fig. 2.8 – Champs de vorticité pour W e = 8000 et des nombres de Reynolds Re = 1000 et 100 (de gauche à droite) obtenus par simulation numérique (même calculs que pour la figure (2.7)). présentant les champs de vorticité (2.8) à cause notamment du choix de la palette couleur. Puisque, comme nous l’avons vu, l’écoulement hors de cette zone d’intersection semble très peu dépendant de la viscosité, la quantité de vorticité créée n’en dépend que faiblement et seule sa diffusion est influencée directement par la viscosité. On peut donc attendre que le champ de vorticité ait une extension spatiale normale à l’interface proportionnelle à la longueur visqueuse lν . Cela revient à avoir un pic de vorticité inversement proportionnel à lν lorsque l’on fait varier la viscosité. On peut observer cette dépendance sur la figure (2.9) où l’amplitude du dipôle est représentée en fonction du temps pour différents impacts où seule la viscosité varie. 4000 1e+05 80000 3000 vorticity vorticity 60000 2000 40000 1000 20000 0 0 0.5 1 time unit 1.5 0 0 1 time unit Fig. 2.9 – Amplitude du dipôle de vorticité généré par l’impact en fonction du temps pour viscosité variables telles que le nombre de Reynolds varie de 40 à 1000 (gauche). La courbe de droite représente la même quantité divisée par la racine carrée du nombre de Reynolds de chaque impact. Lorsque l’on représente l’amplitude divisée par la racine carrée du Reynolds, on observe 2.2. Transition splash-étalement pour les impacts sur film liquide 41 que les courbes des différentes amplitudes se superposent raisonnablement, notamment aux temps courts. Ceci suggère donc que l’épaisseur du jet selectionnée est bien déterminée par la viscosité. On peut dès lors faire un bilan de masse au travers du jet d’épaisseur lν en considérant que l’essentiel de la masse de liquide impactant le film est éjecté. On obtient alors que cette vitesse d’éjection vj suit la loi : % Re vj = U0 2 qui est en bon accord qualitatif avec les mesures expérimentales de S.T. Thoroddsen[106]. On peut maintenant comparer cette vitesse d’éjection à la vitesse de retraction de TaylorCullick vret qu’on peut obtenir par un bilan de quantité de mouvement (stationnaire) à travers le jet : % 2σ vret = ρlν La formation du jet est donc possible suivant ce modèle simplifié si la vitesse de rétraction est inférieur à la vitesse d’éjection, ce qui conduit à la relation : We · √ % Re U0 t ≥ 2. R0 Finalement, les bilans mis en jeu dans ce calcul étant valables pour comme critère pour la formation d’un splash : √ W e Re ≥ K U0 t R0 ≤ 1 on obtient où K est une constante dépendant des autres paramètres du problème (qui peuvent entrer en jeu notamment dans les préfacteurs des bilans de masse et de quantité de mouvement), en bon accord avec les lois expérimentales empiriques. Cette théorie qui introduit une couche limite visqueuse lors de l’impact offre une explication cohérente de cette loi expérimentale robuste mais appelle cependant quelques remarques supplémentaires : -dans l’article de Yarin et Weiss[115], une longueur visqueuse avait été introduite dans leur modèle et permettait de retrouver le critère de formation du splash. Cependant, dans le cadre de ce modèle, cette longueur correspondait à l’épaisseur du film sur lequel l’impact avait lieu et non à l’épaisseur du jet formé. -une étude plus détailée de la couche limite et notamment le raccordement asymptotique avec l’écoulement de fluide parfait dans la goutte a été développée par la suite dans [56]. -dans le modèle ci-dessus le point crucial est de considérer que la largeur du jet est déterminée par une longueur de couche limite visqueuse. Bien que les observations expérimentales de [106] semble en accord avec une épaisseur dépendant du temps comme lν , la longueur √ visqueuse du problème νR0 U0 aurait donné le même critère final. -le lien entre la formation de ce jet et la corolle ”classique” observée dans de nombreux impacts reste encore mal compris. Il a été notamment proposé récemment de bien distinguer entre ce que l’on appelle le ”prompt splash” qui serait l’éjection de liquide dans un jet fin, aux temps courts, par le processus décrit plus haut et la formation plus tard d’une corolle (de laquelle se détachera souvent des gouttelettes secondaires) via la collision horizontale entre le film du à l’étalement de la goutte avec le film liquide au repos[29]. Cette formation d’une corolle par collision de jet a été présentée auparavant par Peregrine dans un article au titre évocateur ”The fascination of fluid mechanics”[93]. 42 2.3 Corolles, éclaboussures et étalements. Impacts sur solide : splashes et obstacles, étalement et rétraction Nous avons évoqué ci-dessus deux mécanismes de formation d’un splash, qui ne sont d’ailleurs pas indépendants et dont le lien reste en fait à éclairer : en bref, ce que l’on appelle généralement les ”prompt splashes” induits par le champ de pression aux temps courts et la déviation du film liquide créé par la goutte s’étalant au contact du film initial. On peut observer la formation d’éclaboussures par d’autres mécanismes comme par exemple celui, mal compris, mettant en jeu le rôle de l’air lors de l’impact sur surface sèche[114]. Le rôle de la rugosité et de la forme de la surface solide pour ces impacts sur surfaces sèches est aussi crucial dans la formation de splashes. Il est intéressant de rappeler ici que le critère de transition étalement-éclaboussure précédent (2.4) est aussi vrai pour des impacts sur solides, le paramètre d’impact K étant alors fonction de la rugosité de la surface notamment[104]. L’étude de l’influence d’une rugosité ”macroscopique” (fraction de millimètre à comparer aux rugosités micrométriques usuelles) contrôlée peut donc se révéler particulièrement instructive dans ce cadre (voir ci-dessous et la réf. [67]). L’impact d’une goutte sur une surface sèche est donc sensible aux rugosités de la surface mais aussi aux propriétés physico-chimiques de celle-ci, qui se manifestent notamment via une dynamique complexe de la ligne de contact (ligne d’intersection entre les phases liquide, solide et gazeuse). Loin de vouloir discuter en détail ici la dynamique de la ligne de contact (on peut notamment voir l’article de revue de P.-G. De Gennes [28]), on peut remarquer que celle-ci joue un rôle important lors de l’impact d’une goutte. Schématiquement, on peut distinguer deux phases lors de l’impact : l’étalement (l’expansion) de la goutte sur la surface et la rétraction partielle, jusqu’à atteindre un rayon d’équilibre obtenu par l’angle de contact statique et le volume de liquide (cette rétraction peut même correspondre à un étalement supplémentaire si le rayon maximal atteint lors de l’impact est inférieur au rayon d’équilibre), ou la rétraction totale, i.e. allant jusqu’au détachement d’une partie ou de la totalité du liquide. Le cas super-hydrophobe est étudié à l’aide simulation numérique où l’on observe deux régimes d’impacts distincts lorsque le frottement de la surface est négligé : soit le film d’étalement s’assèche (cela se fait alors au point d’impact) ce qui devrait conduire au démouillage de la surface (transition que l’on ne peut pas modéliser numériquement actuellement), soit la goutte rebondit après une déformation de l’interface importante mais sans démouillage[100]. L’étude expérimentale de l’impact de gouttes sur surface hydrophobe donne lieu à l’identification de quatre régimes, suivant quel balance entre l’inertie, la capillarité et les effets visqueux domine l’impact et la rétraction[7]. 2.3.1 Déviation d’un film liquide par un obstacle. En collaboration avec Luis Lemoyne et Richard Troeger (Laboratoire de Mécanique Physique, Saint-Cyr) et Stéphane Zaleski, nous avons proposé d’étudier l’impact d’une goutte sur une surface lisse sur laquelle une marche d’épaisseur contrôlée est ajoutée. L’épaisseur de la marche est grande comparée à la taille caractéristique de la rugosité de la surface. On considère alors des paramètres d’impacts tels qu’en l’absence de l’obstacle formé par la marche, aucune éclaboussure n’est observée. On observe alors expérimentalement et numériquement (la marche étant alors cylindrique) que cette marche dévie le film mince d’étalement créé par l’impact de la goutte. Une corolle partielle se forme au delà de cette marche conduisant à la formation d’éclaboussures et l’éjection de petites gouttelettes 2.3. Impacts sur solide : splashes et obstacles, étalement et rétraction 43 (voir figure (2.10). Fig. 2.10 – Profils à différents instant d’une goutte impactant une surface lisse à laquelle une marche a été ajoutée. On observe la formation d’une corolle à partir de la marche et le détachement de gouttelettes de cette corolle. L’angle formé par la corolle et l’horizontale obéit à une dynamique complexe comme le montre la figure (2.11) : après une émission quasiment à angle droit, la corolle semble atteindre ensuite un angle constant aux temps longs, qui dépend à la fois de l’épaisseur de la marche et de la distance de la marche au point d’impact. 90 * 0.035mm o 0.07mm + 0.2mm 80 Angle (°) 70 60 50 40 30 0 0.5 1 1.5 Time (t*U/D) 2 2.5 3 Fig. 2.11 – Angle de déviation de la corolle (mesuré aux temps longs) en fonction de la distance r entre le point d’impact et la marche : (+) expériences, (*) simulation numériques et la courbe pour le modèle. On retrouve un comportement similaire en simulant numériquement cet impact en géométrie cylindrique avec la méthode VOF. La marche est alors de facto cylindrique. L’angle de déviation en fonction de la distance entre le point d’impact et la marche obtenu dans les expérience et en simulation numérique est représenté sur la figure (2.12) les autres paramètres de l’impact restant les mêmes. On observe que l’angle de déviation numérique est inférieur à celui mesuré expérimentalement. Un modèle simple basé sur la théorie classique d’impact d’un jet sur un obstacle retrouve la dépendance générale entre l’angle et la distance de l’impact : le modèle essaie 44 Corolles, éclaboussures et étalements. 90 measurements theory numeric sheet angle (degrees) 80 70 60 50 40 30 20 10 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 dimensionless obstacle distance dobs/D 1.2 Fig. 2.12 – Angle de la corolle en fonction du temps pour trois épaisseurs de marche différentes. Les courbes correspondent à une interpolation des résultats expérimentaux (représentés par les symboles). d’estimer le champ de pression exercé par la marche sur un jet d’épaisseur h arrivant avec une vitesse u sur une marche d’épaisseur e. Le bilan de quantité de mouvement horizontal donnera alors l’angle de déviation. La difficulté réside dans l’estimation de la pression le long de la marche, pression qui, si l’on peut négliger la viscosité, est de l’ordre de ρL u2 à la base de la marche et proche de zero en haut de la marche (où on a une surface libre). On obtient alors aux petits angles de déviation α une relation de proportionnalité entre e, h et α : e = C $ α2 h (2.5) Une théorie potentielle existe qui donne cette loi avec la détermination de la constante mais la viscosité semble jouer un rôle complexe puisque des simulations numériques préliminaires donnent une relation en bon accord avec la loi (2.5) mais avec un préfacteur C $ différent de celui prédit par la théorie potentielle (l’erreur est de l’ordre de 50%). D’autre part, il reste à estimer la relation entre h(r) entre l’épaisseur du film liquide impactant la marche à une distance r du point d’impact. Cette question de l’épaisseur des jets ou films sélectionnée est récurrente dans les problèmes d’écoulement à surface libre et notamment dans les impacts en général et reste encore à éclaircir. On peut remarquer qu’un écoulement potentiel en l’absence de tension de surface ne donnerait pas d’autre longueurs caractéristiques que celles liées à la géométrie de l’écoulement, ce qui conduit souvent à des jets singuliers (par exemple dans le cas des calculs de jets en approximation de pression impulsive[22] ou dans le cas général traité par Longuet-Higgins[77]). La sélection de l’épaisseur du film fait donc intervenir de manière complexe la viscosité, l’inertie et la tension de surface en général. Dans le cas de l’impact sur un film liquide nous avions montré qu’une longueur visqueuse intervenait dans la formation du prompt splash ; ici nous proposons de même de considérer que l’épaisseur h(r) du film à une distance r du point d’impact est lié à une longueur visqueuse et on prend donc pour ce modèle : C $ [12] 2.3. Impacts sur solide : splashes et obstacles, étalement et rétraction h(r) ∼ % 45 νr U0 ce qui donne pour l’angle α la courbe représentée figure (2.12), le paramètre C $ étant déterminé par un fit entre la théorie et les résultats expérimentaux. L’accord est raisonnable étant donné les approximations faites dans ce modèle très simplifié et une étude détaillée du profil du film d’étalement d’une goutte reste à faire dans ce contexte. 2.3.2 Impacts sur surfaces super-hydrophobes : étalement, rétraction et rebond L’impact d’une goutte sur surface sèche conduit ainsi à des résultats très différents suivant l’état de la surface (rugosité) mais aussi suivant les propriétés de cette surface. La compréhension de l’influence des propriétés de la surface sur la dynamique de l’impact est particulièrement importante dans les chambres à combustion (augmentera-t-on l’atomisation du liquide, en recouvrement des surfaces (impression notamment) ou dans la détermination de pare-brise plus efficace à évacuer la pluie (en Formule 1 essentiellement actuellement) par exemple. Cela se manifeste notamment au travers d’un angle de contact formé par l’interface liquide/gaz par rapport à l’interface liquide/solide à la frontière gazliquide-solide. La théorie de cette ligne de contact reste encore sujette à débat[28] et la dissipation proche de cette ligne reste encore mal comprise. Cependant, on peut remarquer que la dynamique de l’angle de contact peut en général se ramener à une dépendance entre cet angle et la vitesse locale de la ligne de contact. On définit donc un angle de contact statique (ou d’équilibre) alors que l’angle d’avancée est souvent plus grand que l’angle de recul et que l’on peut observer des comportements hystérétiques. Une modélisation numérique de cette dynamique est difficile et reste dans une grande mesure à faire malgré des avancées récentes[99]. On distingue les propriétés des surfaces par hydrophile lorsque l’angle d’équilibre est inférieur à 90◦ et hydrophobe s’il est supérieur. Depuis quelques années des surfaces super-hydrophobes (dont l’angle de contact d’équilibre est quasiment de 180◦ ont pu être réalisées[73] : ces surfaces combinent à la fois des propriétés fortement hydrophobes à une texture à très faible échelle que l’on nomme de manière imagée ”fakir”. L’interface se trouve en quelque sorte ”posée” sur la surface micro-strucutrée en pointes ! Comme nous l’avons discuté dans l’introduction, la comparaison entre des simulations numériques avec une méthode imposant un angle de contact de 180◦ et des expériences d’impact sur surface super-hydrophobes sont très bonnes. La goutte se déforme fortement lors de l’impact et la rétraction due au forces capillaires conduit au rebond total de la goutte. Cependant, on observe dans les simulations numériques que lorsque la vitesse d’impact est suffisamment élevée, le film central de la goutte peut ”s’assécher” et on pourrait alors observer le démouillage de la goutte à partir du point d’impact (voir figure (2.13). Notons que la méthode numérique ne permet pas de traiter continûment cette transition entre film mince et démouillage. Ce démouillage n’a pas été observé expérimentalement et est certainement dû en fait à la condition de glissement libre prise sur la surface solide. Cette condition au bord est justifiée dans une certaine mesure par la structure en fakir de la surface texturé et le séchage est déterminé numériquement par un rapprochement des deux interfaces en dessous d’une fraction de taille de maille. Cependant, on peut imaginer que la condition au bord plus réaliste serait un glissement partiel de Navier, le liquide pouvant en effet glisser facilement entre les pointes rugueuses de la surface où là une condition de non glissement 46 Corolles, éclaboussures et étalements. locale devrait s’appliquer, ce qui conduirait à une longueur de glissement effective. Notons cependant que l’obtention analytique d’une condition aux limites ”macroscopique” pour une surface texturée hydrophobe reste à faire. Fig. 2.13 – Profils de la goutte à des temps successifs lors de l’impact sur une surface superhydrophobe obtenu par simulation numérique avec la méthode marqueur. On observe le séchage du centre de la goutte dans les dernières images. Cette transition de démouillage observée numériquement suit une loi remarquable : We = 1590 + 3.62 Re1.49 (2.6) qui distingue deux régions dans l’espace des paramètres entre une zone où la goutte rebondit sans qu’une transition de démouillage ne puisse avoir lieu et une région où un démouillage apparaı̂t (figure 2.14) : Cette loi obtenue numériquement correspond bien à la notion intuitive que le démouillage devrait apparaı̂tre pour des vitesses élevées, mais, à ce jour aucune théorie convaincante ne permet d’expliquer cette loi de transition(2.6). 2.3. Impacts sur solide : splashes et obstacles, étalement et rétraction 47 Fig. 2.14 – Diagramme de transition en nombres de Reynolds et de Weber entre zone où une partie sèche peut croı̂tre au centre du film lors de l’impact et une région sans démouillage possible et où le rebond de la goutte sera observé. Les cercles correspondent au point de transition obtenu par simulation numérique et la courbe représente le fit (2.6). 2.3.3 Etalement et rétraction lors d’un impact sur surface hydrophobe L’impact sur une surface hydrophobe sans être super-hydrophobe, i.e. dont l’angle de contact d’équilibre est supérieur à 90◦ (dans le cas présenté ici, l’angle de contact se situe aux alentours de 110◦ ), donne lieu également à une dynamique d’étalement puis de rétraction. Cette rétraction peut conduire à nouveau à un rebond de la goutte, qu’on appelle en général rebond partiel car seul une fraction de la goutte initiale se détache de la surface. Nous nous sommes intéressés aux lois d’échelles que l’on peut observer expérimentalement lors de la rétraction. On identifie notamment deux régimes distincts : le premier provient d’une balance capillaro-inertiel où la rétraction de la goutte correspond simplement au rappel du bourrelet liquide par la tension capillaire. L’autre régime est dominé par un équilibre entre viscosité et tension capillaire qui sélectionne une vitesse de rétraction proportionnelle à la vitesse capillaire via la dynamique de retour vers l’équilibre de l’angle de contact. Si l’on tient compte maintenant de la dynamique d’étalement que l’on peut caractériser par le rayon maximal d’étalement de la goutte, on obtient un diagramme de phase pour l’impact de goutte sur surface sèche hydrophobe qui se décompose en quatre régions. En effet, on trouve également que le rayon maximal d’étalement présente deux régimes distincts : un régime où l’inertie et la capillarité dominent et pour lequel le rapport 48 Corolles, éclaboussures et étalements. entre le rayon maximal et le rayon initial dépend du nombre de Weber. Dans le cas où la viscosité devient primordiale, ce rapport dépend alors du nombre de Reynolds. Nous avons notamment retrouvé pour ces deux régimes les lois d’échelles des lois compatibles avec celles proposées précédemment (voir notamment [17]) soit pour le cas capillaro-inertiel : Rmax ∝ We1/4 R0 bien que ces données soient aussi compatibles avec une loi du type : Rmax − 1 ∝ We1/2 R0 qui correspond à un bilan global entre inertie et forces capillaires. D’autre part, dans le cas visqueux, on trouve : Rmax ∝ Re1/5 R0 qui peut se déduire d’une balance globale entre forces visqueuses et inertie. Finalement, les quatre régions dans le plan We-Oh (nombres de Weber et d’Ohnesorge) peuvent s’expliciter en fonction de chacun des deux comportements (balance inertiecapillaire ou inertie-viscosité) pour chaque régime (étalement ou rétraction). La figure (2.15) montre dans un diagramme log-log dans le plan We-Oh ces quatre domaines ainsi que les différentes expériences réalisées. 1000 We IV-CI IV-CV 100 IC-CV IC-CI 10 0.001 0.01 0.1 1 Oh Fig. 2.15 – Diagramme de phase dans le plan nombres de Weber et Ohnesorge séparant quatre régions distinctes correspondant à des régimes d’impacts différents : IV et IC pour caractériser la dynamique d’étalement (balance inertielle-visqueuse (IV) ou inertiellecapillaire (IC)), CI et CV pour la rétraction équilibre capillaro-inertiel (CI) ou capillarovisqueux (CV). On peut remarquer sur cette figure que le domaine d’étalement capillaro-inertielle (IC) avec une rétraction capillaro-visqueuse (CV) n’est pas atteint par les conditions expéri- 2.3. Impacts sur solide : splashes et obstacles, étalement et rétraction 49 mentales de l’étude. Il aurait fallu notamment pouvoir faire varier de manière importante la valeur de la tension de surface. Dans ce genre de situation, les simulations numériques peuvent se révéler très utiles car elles permettent justement de s’affranchir des contraintes expérimentales. Dans le cas présent, il est intéressant de remarquer que les simulations nous ont été finalement quasiment d’aucune aide. En effet, les codes à notre disposition ne prenant pas en compte la dynamique de la ligne de contact, il n’est pas possible de retrouver le régime capillaro-visqueux qui s’appuye justement sur l’évolution lente de cet angle. 50 Corolles, éclaboussures et étalements. Chapitre 3 Quelques singularités d’interface 3.1 Singularités et auto-similarités La présence de singularités dans un problème est en général la source de nombreux enseignements : cela permet tout d’abord d’obtenir des comportements extrêmes et violents des variables en jeu, mais aussi de tester en profondeur les propriétés des équations qui modélise le système. Les comportements singuliers sont en fait au coeur de notre compréhension de la physique et sont présents dans quasiment tous les domaines (trous noirs en astrophysique, fracture-fissure en mécanique du solide, condensation de Bose-Einstein en physique atomique, singularités de l’équation d’Euler et chocs en mécanique des fluides par exemple). Les singularités apparaissent en général via des lois auto-similaires et au delà des singularités elles mêmes, ce sont ces comportements auto-similaires que nous cherchons à caractériser dans les écoulements en présence d’interface. On peut citer comme exemples classiques le détachement d’une goutte d’une colonne liquide[42] ou la rétraction capillaire[71]. Dans le chapitre précédent, nous avons montré comment la pression lors des temps courts de l’impact avait un comportement auto-similaire et le modèle que nous avons développé pour expliquer la transition éclaboussures-étalement est également auto-similaire en l’épaisseur du jet formé. Dans ces deux cas, nous décrivons un comportement auto-similaire partant d’une singularité (formellement t = 0 est une singularité pour le champ de pression et l’épaisseur du jet). On peut aussi obtenir un comportement auto-similaire pour les temps longs dans une limite asymptotique qui traduit à nouveau formellement une singularité en temps infini. Ce régime est observé dans le cadre de l’instabilité de Rayleigh-Taylor (RT) à deux dimensions en écoulement potentiel en l’absence de tension de surface et pour un rapport de densité infini. On considère donc une interface séparant un fluide parfait au dessus du vide sous un cham de gravité. Cette situation est $ instable et on observe la formation de bulles remontant à vitesse constante (vk = g/(3k) où k est le nombre d’onde du mode linéaire de l’instabilité) et de pointes (spikes en anglais) qui ”tombent” quasiment en chute libre (voir figure (3.1). La vitesse et la forme des bulles montantes sont assez bien décrites par des études modales où on décompose le profil de la bulle en modes de Fourier multiples de k (remarquons que lorsque le rapport de densité n’est plus infini, cette approche se révèle moins précise). En revanche, la forme de la pointe et le champ de vitesse voisin sont mal décrits par un développement en modes de Fourier, ce qui est assez naturel étant donné le caractère fortement non-linéaire de la pointe. Ce cas simplifié de l’instabilité RT possède une solution asymptotique auto-similaire du potentiel vitesse et de la surface libre proche de la 52 Quelques singularités d’interface Fig. 3.1 – Profils d’interface (gauche) et champ de vitesse (droite) pour un fluide soumis à la gravité initialement occupant le demi-plan supérieur. L’interface est perturbé initialement avec un mode sinusoı̈dal de nombre d’onde 1. Le calcul se fait par une$ méthode d’intégrales de frontière. La figure de droite représente la vitesse (normalisée par g/(3k)) en fonction du temps pour un ensemble de points répartis régulièrement sur l’interface. $ On observe que la bulle remonte à vitesse constant g/(3k) tandis que la pointe est uniformément accélérée. pointe. Le point crucial tient dans l’hypothèse que l’ordre dominant de la vitesse verticale se déduit de l’équation de Bernoulli stationnaire, ce qui revient également à considérer un écoulement parallèle (où la vitesse ne dépend que de y). On prend donc la vitesse √ verticale v ∼ 2gy, où g est la gravité, ce qui pour une particule dont la trajectoire est en chute libre (y ∼ 12 gt2 ) donne une vitesse cohérente avec une dynamique de particule libre (v ∼ gt). Le développement du champ de vitesse proche de la pointe autour de cette solution permet de déduire le comportement asymptotique de la surface libre proche de la pointe qui s’écrit sous la forme : ! " t y = α(x, t) = t − θ(x · t) 2 On obtient ainsi que la courbure de la pointe suit une loi en : $ κ = k 2 g gkt3 θ$$ (0). L’ordre suivant du développement permet de caractériser la correction asymptotique 3.1. Singularités et auto-similarités 53 à l’accélération de la gravité subie par la particule : d 2 ys 2 = g + 2 √ 5 $$ 2 dt gk gkt θ (0) (3.1) L’accélération de la particule converge donc vers la chute libre sous l’accélération de la gravité avec une correction qui décroı̂t en 1/t5 . Cette augmentation de l’accélération de la pointe, comparée à la chute libre, appelée ”overshoot” est due au champ de pression du fluide et est connu dans le cas de l’instabilité de Rayleigh-Taylor. Il est important de remarquer que cette correction n’a pas de paramètre ajustable, une fois la courbure de la pointe déterminée par la loi auto-similaire précédente. Ce calcul a été proposé tout d’abord par F. Williams et P. Clavin[19] avant d’être repris dans le cadre d’une comparaison avec un calcul numérique par intégrale de frontière avec un raffinement de maillage adaptatif proche de la pointe[34]. On obtient alors un très bon accord de cette théorie avec la simulation numérique. Notamment, l’overshoot de l’accélération est retrouvé sans paramètre ajustable et la forme autosimilaire de la surface libre proche de la pointe est bien vérifiée (voir figure (3.2) et la publication jointe à ce document L. Duchemin, C. Josserand and P. Clavin, ”Asymptotic behavior of the Rayleigh-Taylor instability”, Phys. Rev. Lett. 94, 224501 (2005)[34]). 0 acceleration overshoot 10 10 !1 10 !2 10 !3 10 !4 10 !5 1 10 t!t0 Fig. 3.2 – (gauche) Overshoot de l’accélération en fonction du temps obtenus par simulation numérique avec la méthode d’intégrales de frontière. La droite en pointillée correspond à la loi (3.1) où le temps de décalage t0 et la courbure auto-similaire θ$$ (0) ont été déterminés par la trajectoire de la pointe et sa courbure en fonction du temps. La figure de droite représente les profils de l’interface à la pointe pour différents temps (partie droite) et les même profils en fonction des variables autosimilaire (t · x, t · α(x, t)), ce qui illustre bien la structure auto-similaire de la pointe. On peut remarquer que ces résultats se transposent assez simplement au cas de l’instabilité de Richtmyer-Meshkov pour laquelle on retrouve une courbure en t3 et une accélération asymptotique (pour cette instabilité, la vitesse du spike converge vers une constante) en 1/t5 . Une théorie générale de ces déformations a été proposée récemment par L. Duchemin[32]. D’autre part, l’instabilité de Rayleigh-Taylor est cruciale dans notre compréhension de la fusion par confinement inertiel où l’accélération est couplée à l’ablation de l’interface[18]. On observe alors que la pointe autosimilaire disparaı̂t sous l’action de l’ablation alors qu’une singularité de courbure à temps fini apparaı̂t[1]. 54 Quelques singularités d’interface On peut aussi observer des singularités à temps fini dans le cadre d’une dynamique d’interface plus générale, notamment pour laquelle la tension de surface et la viscosité sont prises en compte. Bien que la viscosité soit dissipative pour la dynamique, elle n’empêche nullement l’existence de solution auto-similaire et de singularités à temps fini, comme le montre le pincement d’une goutte[42]. Dans les exemples avec viscosité que nous allons discuter ici cependant celle-ci n’interviendra pas directement dans la dynamique singulière mais jouera plutôt le rôle de sélection paramétrique de la singularité. Le premier exemple a pour motivation l’éclatement des bulles à la surface d’un volume liquide, que l’on peut observer dans notre cuisine tous les jours. Cet éclatement joue un rôle important dans les échanges air-océan via les bulles formées par les différents mouvements de l’interface (vagues, déferlement, action du vent). Ces bulles concentrent en général à leur interface de nombreuse molécules qui peuvent être rejetées dans l’atmosphère lors de l’éclatement. L’éclatement intervient lorsque le drainage de la surface supérieure de la bulle est suffisamment important pour faire éclater ce film. Cet éclatement très rapide projette d’une part de multiples gouttelettes dans l’atmosphère alors que la partie inférieure de la goutte (qu’on peut considérer comme une partie de sphère) s’effondre sous l’action de la tension de surface. En effet, la surpression à l’intérieur de la bulle qui la maintenait à l’équilibre à la surface a disparue lors de l’éclatement. Cet effondrement se traduit par la formation d’ondes capillaires qui se propagent sur l’interface et en général par la création d’un jet liquide vertical plus ou moins intense (voir figure (3.3). La formation de ce jet n’est pas a priori du à une singularité à temps fini bien que sa dynamique puisse certes montrer des comportements autosimilaires, que nous n’avons pas étudié ici mais qui pourraient se révéler finalement assez proche de ceux décrit ci-dessus dans le cas de l’instabilité de Rayleigh-Taylor (plus précisément Richtmyer-Meshkov). En revanche, la variation de la vitesse maximale de ce jet formé en fonction du seul paramètre de contrôle pertinent pour ce problème, le nombre d’Ohnesorge : Oh = ρν 2 , σR0 où R0 est le rayon initial de la bulle, montre la présence d’une singularité pour au moins une valeur de ce nombre (voir figure (3.4). Proche de la singularité on peut observer que le jet formé est bien plus fin que pour les valeurs plus éloignées du Ohnesorge (voir figure (3.5)), pour lesquelles le jet est de taille constante une fois les distances redimensionnées par la taille de la bulle, De même, entre les deux lignes verticales sur la figure (3.4), la simulation numérique montre l’emprisonnement d’une bulle (voir figure (3.6)), ce qui empêche la simulation numérique de se poursuivre car la méthode marqueur ne permet pas de décrire le pincement d’une interface. Outre cette singularité de pincement que l’on trouve donc entre certaines valeurs du nombre d’Ohnesorge, on est en présence de singularités paramétriques aux frontières entre ces zones qui séparent les collapses avec emprisonnement d’une bulle par pincement de ceux formant un jet sans pincement. En ces points singuliers la dynamique finale du collapse peut être vue comme la fermeture auto-similaire d’une interface verticale. Cette dynamique suit en fait une loi auto-similaire provenant d’un équilibre capillaro-inertiel[71] que l’on peut retrouver en étudiant l’équation de Bernoulli sur la surface libre, en l’absence de viscosité et de gravité : 3.1. Singularités et auto-similarités 55 Fig. 3.3 – Profils d’interface expérimentaux (haut pris dans la ref. [78]) et obtenus par simulation numérique avec la méthode marqueur (bas) pour une bulle de 2.57 µl qui éclate à la surface libre de l’eau. ∂Φ 1 σ + (∇Φ)2 = κ. ∂t 2 ρ où Φ est le potentiel vitesse et κ la courbure de l’interface de la solution recherchée. Une solution auto-similaire peut être trouvée sous la forme : r ) tβ où les variables d’espace suivent une loi d’échelle en tβ . La comparaison des différents termes de l’équation de Bernoulli permet d’obtenir β = 2/3 et α = 1/3 qui correspond à la solution auto-similaire capillaro-inertielle, décrite précédemment par Keller et Miksis[71]. La figure (3.7) montre justement les profils de l’interface à des temps précédents la singularité pour une valeur du nombre de Ohnsesorge proche de la singularité paramétrique, sans emprisonnement de bulle. Le redimensionnement des profils en |t|2/3 (où t = 0 à la singularité) montre bien la dynamique auto-similaire au moment du collapse (voir aussi la publication L. Duchemin, S. Popinet, C. Josserand and S. Zaleski, ”Jet formation in bubbles bursting at a free surface”, Phys. Fluids 14, 3000-3008 (2002)). Φ = tα F ( 56 Quelques singularités d’interface Fig. 3.4 – √ Vitesse maximale du jet en fonction du nombre d’Ohnesorge. La droite indique la loi en 1/ Oh obtenue par analyse dimensionnelle en supposant que la viscosité peut être négligée. On observe une déviation à cette loi pour les petites valeurs de Oh. En particulier autour de Oh = 1000 la formation du jet s’accompagne de la formation d’une bulle, qui indique la présence d’une singularité. Les droites verticales indiques des transitions entre zones où une bulle peut être emprisonnée de zones sans formation de bulles. Cette singularité a été observée dans plusieurs situations expérimentales, notamment pour des ondes de Faraday de grande amplitude[120] et de manière surprenante pour des impacts de gouttes à faible vitesse sur surface hydrophobe (voir la publication D. Bartolo, C. Josserand and D. Bonn, ”Singular jets and bubbles in drop impact”, Phys. Rev. Lett. 96, 124501 (2006)[8]). Dans ce dernier cas, on obtient des jets très violents lors du rebond de la goutte via le collapse des ondes capillaires créées par l’impact (voir figure (3.8)). Lorsque l’on mesure la vitesse du jet en fonction de la vitesse d’impact, on trouve une dépendance qualitativement similaire à celle observée pour le collapse de bulle (voir la figure (3.9)). On remarque notamment deux singularités paramétriques séparant trois zones bien distinctes. Ces singularités sont de nature très différentes : à la frontière entre zone I et II, le jet singulier est formé par le collapse inertiel d’une cavité cylindrique, comme cela avait été remarqué par Burton, Waldrep et Taborek précédemment[15] et pour lequel les lois d’échelles se distinguent des lois capillaro-inertielles précédentes. En effet, la dynamique d’une caité cylindrique de rayon R(t) (le fluide étant à l’extérieur) peut s’écrire (en négligeant notamment les viscosité de chaque fluide et la gravité) : 3.1. Singularités et auto-similarités 57 $"! %&'()*+%,( %&-.'/)) !"! !!"# !"# Fig. 3.5 – Profil du jet pour deux rayons de bulle initiale R0 distincts (1 µm et 2 mm), redimensionné par R0 . ' R 1 P (r) − P0 & σ = R̈R + Ṙ2 ln + Ṙ2 − . ρ r 2 ρR P (r) est la pression dans le liquide à la distance r du centre, P0 étant la pression du gaz à l’interface. On trouve alors une loi d’échelle de collapse purement inertiel R(t) ∼ |t|1/2 en annulant exactement le terme en facteur du logarithme et en supposant qu’on peut négliger les autres termes. Cette loi est en bon accord avec les mesures expérimentales du rayon de la cavité en fonction du temps[8]. De nombreuses corrections (notamment en log) ont été apportées dernièrement aux lois du collapse inertiel cylindrique (voir notamment [45]), en lien avec le caractère non universel de la dynaique (qui dépend ainsi faiblement des conditions initiales par exemple) La seconde singularité paramétrique (frontière entre zone II et III) est de la même nature que la singularité de collapse d’une bulle et correspond donc à un collapse autosimilaire capillaro-inertiel. On retrouve notamment la dépendance du profil en |t−tc |2/3 où tc est l’instant du collapse et l’emprisonnement de bulles d’une part de la frontière (dans la zone II). Finalement, le pincement d’une interface emprisonnant une bulle peut aussi être observé dans une situation dynamique très différente, la fusion de deux gouttes que l’on prendra de rayon identique R pour simplifier. On se place dans la limite inviscide et on s’intéressera au cas asymptotique où le rapport entre le rayon initial de contact et le rayon 58 Quelques singularités d’interface Fig. 3.6 – Profil de l’interface pour des valeurs de Ohnesorge ne permettant pas d’obtenir un jet numériquement à cause de l’emprisonnement d’une bulle lors du collapse. des gouttes rb /R tend vers zéro. On utilisera alors la méthode par intégrale de frontières en géométrie axisymmétrique (et en l’absence gravité) pour laquelle le raffinement de maillage adaptatif proche de la zone de contact dans ce cas là se révèle crucial. La question qui se pose alors est de savoir si, dans ces conditions, la rétraction capillaire due au contact entre les deux gouttes se fait en pinçant l’interface ou non, et donc en emprisonnant des bulles (dans le cas cylindrique de notre calcul, il s’agit de tores qui seraient instables et formeraient ensuite des bulles). Remarquons encore que dans le cadre de ce calcul la densité du fluide externe (et donc éventuellement emprisonné dans le tore) est nulle. La figure (3.10) montre ainsi que la rétraction capillaire en géométrie cylindrique pour un rapport initial rb (0)/R = 10−5 (et donc une pression capillaire de l’ordre de 1010 fois la tension de surface) bien un pincement en temps fini via la croissance d’une onde capillaire. Ce résultat permet d’établir une théorie de rétraction par le pincement autosimilaire de tores (qui se déstabiliseront ensuite en bulles) qui crée donc un chapelet de bulles emprisonnées autosimilaires (voir la figure (3.11) qui illustre cette théorie). Cette théorie repose sur l’analyse d’échelle qui montre simplement que la rétraction dans la limite rb (0)/R → 0 est équivalente à la situation 2D et donc que seule la longueur initiale rb (0) est pertinente pour chaque pincement. Si on suppose qu’après chaque pincement la dynamique de pincement reprend mais pour une valeur actualisée de rb (0), sans être influencée par la bulle enfermée, on obtient le même pincement avec la nouvelle valeur de rb comme unique chan- 3.1. Singularités et auto-similarités 59 !"% !"# !"$ ! !!"$ !!"# !!"$ ! !"$ !"# Fig. 3.7 – Profil de l’interface à différents temps précédents la singuarité (gauche), redimensionné par le temps à l’interface suivant t2/3 (droite). gement d’échelle. Cette théorie auto-similaire conduit à une dynamique de fusion discrète dont l’approximation continue donne : √ rb (t) ∝ t pour plus de détails, voir la publication L. Duchemin, J. Eggers and C. Josserand, ”Inviscid coalescence of drops”, J. Fluid Mech. 487, 167-178 (2003)[33]. Cette solution auto-similaire est illustrée sur la figure (3.11) qui montre les profils successifs à chaque pincement pour des valeurs de rb /R d’ordre 10−2 environ. Dans cette simulation numérique, le calcul est arrêté à chaque pincement puis repris après avoir enlevé la bulle emprisonnée du domaine de calcul. D’autre part, l’évolution temporelle de rb (t), qui se fait par une série de pincement √ successifs, épouse bien une loi en t jusqu’à des valeurs de rb /R de l’ordre de 0.1 au delà de laquelle plus aucun pincement n’a lieu (voir figure (3.12)). L’évolution du profil de la goutte devient suffisamment rapide pour empêcher le pincement de l’onde capillaire (on ne peut plus considérer que le pincement se fait à épaisseur d’interstice constant). 60 Quelques singularités d’interface Fig. 3.8 – Profils de gouttes lors d’impacts sur une surface hydrophobe pris à l’aide d’une caméra rapide pour un rayon initial de 1 mm des vitesses d’impacts de 0.45 (a) et (b), 0.56 (c) et 0.68 m · s−1 (d). On observe ainsi la formation d’une cavité cylindrique ainsi que son collapse qui donne naissance à un jet plus ou moins violent. Remarquons l’emprisonnement d’une bulle dans le cas (c). 50 I II (a) III 1 /R apex impact 20 R /V 30 apex impact 40 0 V 0 V (m/s) impact 1,2 10 0 0,2 0,4 0,6 V impact 0,8 1 1,2 (m/s) Fig. 3.9 – Vitesse du jet (adimensionnée par la vitesse d’impact) en fonction de la vitesse d’impact. On observe trois régions différentes séparées par les traits pointillés verticaux. Des bulles sont emprisonnées dans la région II uniquement. En inset, on représente le rayon du jet en fonction de la vitesse d’impact. 3.1. Singularités et auto-similarités 61 !(% &-.!&& grid spacing "-.!&& !($ )*+, /-.!&& !(# !(" 0+,.123144256+*1'+5, ! ! " # $ % &! ' Fig. 3.10 – Profils d’interface (gauche) et épaisseur minimal de l’interstice en fonction du temps (droite) lors de la rétraction capillaire pour une valeur initiale du rapport rb /R = 10−5 . On obtient un pincement de l’interstice en temps fini par l’onde capillaire créée par la rétraction comme le montre la figure de droite lorsque le maillage de calcul est augmenté. !!"!!# ! ! !!# Fig. 3.11 – Profils d’interface pour rb (0)/R = 0.08 pour chaque pincement successif. Le calcul est repris après chaque pincement en considérant que la présence de la bulle emprisonnée n’a pas d’influence sur la rétraction. 62 Quelques singularités d’interface Fig. 3.12 – Eolution temporelle de rb (t) calculé à chaque pincement et comparée à la loi auto-similaire déduite du modèle. En inset, nous caractérisons la dynamique autosimiulaire en comparant la vitesse moyenne entre deux pincement avec l’inverse du rayon rb , comme prédit par la théorie. Chapitre 4 Conclusion-Perspectives Les perspectives générales de mon travail s’inscrivent d’une part dans la continuité de mes recherches en milieux diphasiques, plus particulièrement pour des écoulements où la déformation de l’interface est cruciale, et d’autre part vers d’autres domaines d’activités récents pour lesquels je vais décrire succinctement les enjeux qui m’intéressent. 4.1 4.1.1 Ecoulements granulaires Un liquide granulaire ? Les matériaux granulaires malgré leur apparente simplicité résistent encore dans une grande mesure à notre capacité de compréhension et de modélisation. Pourtant, on en rencontre partout et ils jouent un rôle dans la plupart des activités humaines (construction, agriculture, pharmacologie, énergie, transports, loisirs...). Il s’agit d’ailleurs de la seconde forme de matériaux échangés au monde (derrière les liquides)[53, 36]. Une grande difficulté qui apparaı̂t lorsque l’on veut modéliser ces systèmes provient de leur caractère athermique : en effet, de par leur taille et leur poids, la température thermodynamique ne joue aucun rôle ici et on ne peut donc appliquer les modèles classiques de physique statistique (théorie cinétique des gaz par exemple). De plus, il n’y a pas de distinction claire pour les milieux granulaires entre une échelle microscopique (les grains) et une échelle de description macroscopique ce qui empêche de pouvoir appliquer les hypothèses classiques de la mécanique des milieux continus (pour une description ”fluide” d’un écoulement granulaire, à la fois l’absence de mouvement brownien et l’absence d’un découplage micro-macro empêche de pouvoir développer simplement un modèle de mécanique des fluides granulaires). On pourrait se féliciter de l’absence de ces effets thermiques puisqu’on peut donc considérer que la dynamique d’un milieu granulaire se ramène donc à des problèmes de mécanique du solide avec des contacts multiples. En fait, au contraire, la complexité des écoulements et des configurations granulaires est telle qu’il est illusoire de vouloir la décrire par un ensemble d’équations (cela est cependant fait numériquement dans des calculs de type mécanique des contacts[98] ou dynamique moléculaire[24]). D’autre part, la complexité intrinsèque des lois de frictions et de contact rend même périlleux l’approche de ce problème de mécanique à N corps[5] ! Cela peut se manifester par un comportement granulaire assez similaire aux systèmes vitreux : ainsi, on a pu montrer sur des expériences de compaction granulaire la dépendance du milieu à son ”histoire”, i.e. dans ce cas précis aux types de secousses qui lui avaient été appliquées précédemment (voir la publication non 64 Conclusion-Perspectives jointe C. Josserand, A. Tkachenko, D. Mueth and H. Jaeger, ”Memory effects in granular materials”, Phys. Rev. Lett. 85, 3632 (2000)). Et pourtant, lorsque l’on fait vibrer fortement un ensemble de grains[81, 43], lorsqu’on le fait s’écouler le long d’un plan incliné[97] ou qu’on le soumet à un cisaillement[83], l’observateur a l’impression d’avoir face à lui un gaz ou un liquide ! Cette impression s’appuie notamment sur le mouvement désordonné des grains qui semble pouvoir décrire en moyenne un gaz de molécule ou un liquide. Les fluctuations des mouvements des grains, dues à un forçage plus ou moins externe (le cisaillement, les vibrations, etc...), ”mimeraient” alors l’équivalent d’un mouvement brownien[27] et on serait alors amené à décrire une température granulaire. Il s’agit alors de construire une approche statistique de la thermodynamique granulaire où l’on cherche à définir l’équivalent d’une entropie granulaire (on utilise en fait la compactivité introduite par S. Edwards)[41, 6]. Dans le cas dilué, l’équivalent d’une théorie cinétique a aussi été déduite, pour des collisions inélastique entre les grains et permet également de définir une température granulaire[60]. En écoulement dense (en moyenne, les grains ont plus d’un contact solide avec d’autres grains) cisaillé (obtenu par exemple sur plan incliné), les fluctuations de vitesse proviennent des impacts multiples et de la géométrie complexe des contacts entre grains. Cela se traduit par une rhéologie complexe qui reste encore dans une grande mesure à expliciter. Dernièrement, un certain consensus a émergé des nombreuses réalisations expérimentales faisant apparaı̂tre pour les écoulements bidimensionnels une viscosité effective fonction du taux de cisaillement adimensionnalisé µ(I) défini par analogie avec l’écoulement d’un liquide sur un plan incliné[97]. Différentes situations expérimentales font alors apparaı̂tre une fonction µ(I) bien définie et similaire d’une expérience à l’autre[83]. Cependant une faible dépendance de cette fonction avec la pression de confinement existe et sa description repose encore essentiellement sur des arguments empiriques : la généralisation de cette viscosité à des écoulements 3D quelconques est encore mal comprise (voir cette généralisation dans [62]) ; de plus, le lien entre la rhéologie ”moyenne” observée lors de ces écoulements et la mécanique régissant les interactions entre grains reste à élucider. Dans la publication jointe ”Granular pressure and the thickness of a layer jamming on a rough incline” (C. Josserand, P.-Y. Lagrée and D. Lhuillier, Europhys. Lett. 73, 363-369 (2006)[66]), nous décrivons la modélisation du tenseur des contraintes pour un milieu granulaire bidimensionnel dense cisaillé en écoulement stationnaire, dans l’esprit d’une publication antérieure[65]. Nous décrivons l’écoulement par la donnée du champ de vitesse longitudinal V (z) et la fraction volumique Φ(z). Le tenseur des contraintes se décompose alors en une partie indépendante du taux de cisaillement pour laquelle la pression est déduite d’un argument entropique et une partie due au cisaillement pour laquelle nous utilisons la forme introduite par Bagnold[3], qui peut s’obtenir également par analyse dimensionnelle. A partir d’hypothèses simples sur la dépendance du coefficient de friction de Coulomb nous proposons une interprétation rhéologique de l’épaisseur résiduelle de grains lors d’un écoulement sur plan incliné. 4.1.2 Méandres laminaires La méandres de rivières, les dunes ou les structures érosives en milieu naturel sont parmi les exemples les plus connus et fascinants de l’interaction complexe qui existe entre les milieux granulaires (plus ou moins cohésifs) et un écoulement fluide (vent, rivière, marée, etc...). Alors que ces écoulements sont principalement turbulents (le nombre de Reynolds dans une rivière est de l’ordre du million), il est intéressant de remarquer que toutes ces 4.1. Ecoulements granulaires 65 structures peuvent être obtenues en laboratoire pour des écoulement a priori laminaire, comme de récentes études expérimentales l’ont montré[80, 82]. Dans le cadre de la thèse d’Olivier Devauchelle, nous nous sommes intéressés à ce régime d’écoulement encore peu étudié analytiquement (à cause de l’absence d’expérience). L’écoulement liquide peut être considéré comme quasi-classique et s’adaptant donc très rapidement aux changements lents du lit granulaire. La dynamique de l’écoulement est prise en compte simplement dans la limite où les équations de Saint-Venant sont pertinentes (ce qui est le cas ici). L’érosion est modélisée via la présence d’un flux de sédiments. Une loi empirique déduite de résultats expérimentaux[16] permet de relier le cisaillement du fluide sur le lit granulaire au flux de sédiments. La dynamique temporelle n’intervient donc alors que via l’équation de conservation de la masse de sédiments. La stabilité linéaire de ce système d’équations couplant la dynamique de l’écoulement avec l’érosion permet de décrire plusieurs modes d’instabilités : en effet, il manque encore à cette description une approche précise des conditions aux bords. Par exemple, pour un film liquide sur un domaine infini (ou avec des conditions périodiques), les modes les plus instables se développent en chevrons similaires à ceux observés lors de l’écoulement d’un mince film liquide sur un lit granulaire[26]. On peut notamment observer ces chevrons sur la plage lorsque le retrait des vagues est suffisamment lent pour obtenir ce régime, comme sur la figure (4.1). Fig. 4.1 – Structures en chevrons observées sur une plage après le retrait d’une vague (ici plage de Goleta en Californie). La prise en compte de berges mobiles se révèle autrement plus complexe car il faut notamment décrire l’érosion le long des berges où des avalanches ont en général lieu. De plus, à la berge même, l’équation de Saint-Venant à une écriture singulière qui rend difficile à la fois l’approche numérique et un calcul analytique de stabilité linéaire par exemple. Toutefois, à partir d’arguments sur les propriétés quasi-statiques de l’écoulement près de la berge, on peut déduire des conditions aux bords décalées maintenant à la ligne séparant la zone d’avalanche de la zone d’érosion sans avalanches. La stabilité linéaire d’un écoulement droit est donc réalisable et permet de décrire les modes les plus instables. Notamment, le cas où on considère les berges fixes (écoulement dans un canal), qui simplifie 66 Conclusion-Perspectives grandement le problème des conditions aux bords, se révèle très instructif : l’instabilité linéaire se manifeste donc au travers de la déformation du fond de la rivière. On peut ainsi montrer que suivant les valeurs du rapport d’aspect entre la largeur et la profondeur de la rivière, les modes les plus instables comportaient un ou plusieurs noeuds, préfigurant les instabilités classiques des rivières en méandre (un noeud) ou en tresses (plusieurs noeuds). Pour plus de détails, voir la publication jointe O. Devauchelle, C. Josserand, P.-Y. Lagrée and S. Zaleski, ”Morphodynamic modeling of erodible laminar channels”, Phys. Rev. E 76, 056318 (2007)[30]. 4.1.3 Perspectives La modélisation des écoulements granulaires, comme nous l’avons vu, reste encore parcellaire : ainsi, malgré des généralisations des approches 2D récentes[62, 75], les équations générales décrivant la dynamique d’un milieu granulaire dense restent un sujet de débat scientifique important. Une des difficulté qui apparaı̂t, dans l’esprit du modèle 2D que nous avons développé[65, 66] vient du fait que la modélisation du tenseur des contraintes tient compte d’une direction particulière du tenseur de cisaillement (facilement identifiable à 2 dimensions). La généralisation 3D de cette approche, prenant en compte les directions propres du tenseur de cisaillement reste à ma connaissance à être entreprise (projet en cours avec Olivier Devauchelle). Dans le cas 2D, la déduction des équations de SaintVenant granulaire, obtenues non par analogie avec les liquides, mais par intégration du tenseur des contraintes granulaire devrait aussi permettre une description intéressante des ondes de Kapitza observées en écoulement granulaire[49]. Le développement d’un schéma numérique d’écoulements granulaires en partant de ces équations serait un premier pas important vers un code générique d’écoulements granulaires denses (3D instationnaire notamment). Nous avons montré pendant la thèse d’Olivier Devauchelle que la modélisation des dynamiques d’érosion mettant en jeu un écoulement laminaire et le mouvement des grains était accessible par un système d’équations simplifiées et permettait alors de retrouver les instabilités pertinentes présentes en général dans ces écoulements. Les expériences réalisées à l’Institut de Physique du Globe de Paris en écoulement laminaire ont mis en avant ces analogies fortes avec les dynamiques érosives générales (notamment turbulentes)[82, 80]. Plusieurs problèmes demeurent, notamment lorsque les berges de l’écoulement sont mobiles, question-clé pour pouvoir obtenir un modèle ”géophysique” complet de la dynamique géomorphologique. La déduction des conditions aux limites au niveau des berges mobiles, obtenues lors de la thèse d’O. Devauchelle fait apparaı̂tre de manière cruciale le manque dans notre modélisation de la prise en compte des effets transverses dus au tenseur des contraintes (notamment la contribution transverse des forces visqueuses). La déduction de ces termes dans le cadre des équations de Saint-Venant (i.e. intégrées sur la hauteur d’eau) reste encore à faire car elle échappe à l’heure actuelle à une écriture simple. La description des structures érosives formées après la croissance des modes de l’instabilité linéaire et notamment leur profil final demandent la résolution du problème nonlinéaire associé. La structure de chevrons, périodiques que l’on observe dans les simulations numériques et les expériences est une première étape importante pour la prise en compte des effets nonlinéaires car elle doit pouvoir se résoudre sous la forme d’une somme de modes de Fourier dont les amplitudes interagissent entre elles. Pour ces deux pistes de travail sur les écoulements granulaires (écoulements cisaillés 4.2. Turbulence d’ondes. 67 denses et écoulements érosifs), il me semble qu’un but important à atteindre soit l’obtention d’un système d’équations pertinentes, c’est à dire qui soirnt suffisamment complexes pour rendre compte des propriétés cruciales de ces écoulements (ondes granulaires, effets transverses, etc....) mais qui dans le même temps restent accessible à des approches analytiques et à une modélisation numérique simple (mais 3D malgré tout). 4.2 Turbulence d’ondes. Alors que la turbulence 3D reste encore dans une grande mesure mal comprise[50], on peut décrire des systèmes turbulents plus simples pour lesquels une théorie peut être dérivée : il s’agit de problèmes d’ondes dont l’interaction nonlinéaire (qui permet de ”mélanger” ces ondes) peut être considérée comme petite par rapport aux termes linéaires. On nomme alors cette dynamique turbulence faible d’ondes et on en trouve des exemples fameux dans le cas des ondes de surface sur un fluide (ondes de gravités dans l’océan[107, 57] ou ondes capillaires en laboratoire[113, 54, 13]). La figure (4.2) montre justement la forme de la surface liquide pour des systèmes d’ondes turbulents dans ces deux cas. Fig. 4.2 – Ondes de gravité (gauche) observées à la surface d’un océan et ondes capillaires (droite) obtenues par vibration. L’interaction entre ondes de différentes fréquences et donc de nombres d’onde différents provient du terme nonlinéaire. En décomposant la solution en modes de Fourier, on peut alors écrire la dynamique de l’amplitude de chaque mode sous la forme d’un développement perturbatif en fonction d’un petit paramètre provenant du faible terme nonlinéaire (d’où le nom de turbulence faible) et dans lequel le mélange entre les modes s’opère. On obtient ensuite une dynamique hiérarchique liant les différents cumulants de ces modes. On détermine une fermeture asymptotique en considérant la moyenne aux temps longs (comparés aux fréquences des modes en jeu) de ces équations hiérarchiques (voir par exemple [89] pour une discussion détaillée des hypothèses liées à cette fermeture). On obtient finalement une équation cinétique pour le carré de l’amplitude de chaque mode (appelé dans certains contextes densité de particules) où le terme de collision est déduit du terme nonlinéaire. Cette équation cinétique admet en général plusieurs types de solutions stationnaires. Certaines correspondent simplement à l’équipartition entre les modes de quantités conservées par la dynamique alors que d’autres décrivent un transfert (appelé cascade) de quantités entre les modes : cascade directe des grandes vers les petites échelles ou cascade inverse lorsque le flux va des petites vers les grandes échelles. On peut alors observer ces cascades 68 Conclusion-Perspectives lorsque l’on injecte la quantité concernée à l’échelle adéquate, cette quantité se trouvant alors dissipé (par des mécanismes ignorés en général dans un premier temps dans le modèle et introduit ensuite de manière schématique) de l’autre côté de la zone inertielle où se situe la cascade. Ces solutions décrivent donc une turbulence particulière d’interaction faible d’ondes et ont été étudiées initialement pour plusieurs systèmes d’ondes dispersives, à la surface d’un fluide ou en turbulence plasma par exemple[116, 10, 118, 117, 9, 119]. Par analogie avec la turbulence, on appelle ces solutions spectres de Zakharov-Kolmogorov. Une caractéristique remarquable de ces spectres est précisément qu’ils sont solutions exactes de l’équation cinétique (obtenue elle-même en se limitant au premier ordre non-nulle du développement hiérarchique) et non obtenues par analyse dimensionnelle uniquement. Cette dynamique générale permet notamment d’expliquer et de décrire la formation de structures cohérentes et de condensats dans des modèles d’optique non-linéaire, de superfluide ou de condensat de Bose-Einstein s’appuyant sur l’équation de Schrödinger Nonlinéaire (voir les publications non-jointes [63, 68, 64, 21, 69]). On peut aussi décrire l’interaction des modes de vibrations sur une plaque élastique dans ce contexte de turbulence d’ondes, comme cela a été fait dans la publication jointe G. Düring, C. Josserand, and S. Rica, ”Weak Turbulence for a Vibrating Plate : Can One Hear a Kolmogorov Spectrum ?”, Phys. Rev. Lett. 97, 025503 (2006)[37]. On se place dans le cadre de l’équation de Föppl-Von Karman qui décrit la dynamique élastique d’une plaque d’épaisseur h et pour laquelle la dissipation est négligée (on l’introduira de manière schématique ultérieurement). La figure (4.3) montre l’évolution de la déformation d’une plaque obtenue par simulation numérique de l’équation de Föppl-Von Karman. "dens.gnup.0" matrix 8 6 4 2 0 -2 -4 -6 -8 "dens.gnup.60" matrix 8 6 4 2 0 -2 -4 -6 -8 250 250 200 0 150 50 100 100 150 200 50 250 0 200 0 150 50 100 100 150 200 50 250 0 Fig. 4.3 – Evolution de la déformation d’une plaque élastique obtenue par simulation numérique : (gauche) condition initiale (distribution gaussienne des modes de Fourier) ; (droite) déformation aux temps longs pour lequel un régime de cascade s’est instauré. L’analyse de la dynamique dans le cadre de la théorie de turbulence d’ondes permet de prédire un spectre de Kolmogorov-Zakharov de cascade d’énergie vers les petites échelles qui peut-être observé numériquement en forçant le système par l’injection d’énergie à grande échelle et la dissipation aux petites échelles (voir figure (4.4) et la publication jointe pour plus de détails sur cette cascade directe dans les plaques élastiques). Les problèmes de turbulence d’ondes et/ou de turbulence faible restent d’actualité pour plusieurs raisons : la dérivation d’un système d’équations hiérarchiques et donc l’obtention d’une théorie cinétique pour laquelle des solutions d’échelles peuvent être trouvées en font une classe de problème d’un intérêt fondamental indéniable pour notre compréhension de la 4.3. Dynamiques d’interfaces !"!""! k 69 2 1 Out In 1e-05 -4 0.0001 1e-10 !"!""! k 2 k4 1e-05 1e-15 1/3 1e-06 1e-20 0.01 1e-25 0.1 1 0.1 10 1 log(k * /k) 10 k Fig. 4.4 – Spectre moyen de déformation d’une plaque élastique soumise à des vibrations à grande échelle (zone marquée in) et à une dissipation aux petites échelles (out) obtenu par simulation numérique. Le spectre en 1/k 4 avec un préfacteur logarothmique prédit par la théorie de turbulence faible est bien retrouvé par le calcul numérique. turbulence. La déduction mathématique de ces équations soulève d’ailleurs encore quelques questions. Depuis quelques années, ces approches de turbulence faible sont appliquées plus systématiquement à d’autres domaines que les classiques ondes de gravité, ondes de surface en mécanique des fluides. On peut citer notamment l’optique non-linéaire, la physique des lasers, les condensats de Bose-Einstein ou les plaques élastiques. Ces deux derniers exemples ont plus particulièrement été abordés dans ce document (voir la liste de publications de l’auteur). Pour toutes ces situations, les expériences mettant en jeu ces dynamiques restent finalement assez rares (voir dernièrement [47]). Les interactions d’ondes sur des plaques élastiques semblent offrir alors un cadre expérimental pour la caractérisation des spectres 4.3 Dynamiques d’interfaces Les dynamiques d’interface se révèlent complexes comme nous l’avons vu sur des problèmes d’impacts de gouttes, de coalescence ou de collapse de bulles. Les déformations de ces interfaces mettent notamment en jeu des structures intenses tels que des jets, des nappes liquides aux comportements souvent auto-similaires, signatures de singularités présentes dans les équations. Malgré les nombreuses études existantes sur ces particularités, l’intérêt pour la formation et la description de ces structures auto-similaires est croissant et constitue une source de recherches futures importante. Au delà des aspects techniques indéniables (provenant principalement de l’accroissement de la précision des instruments de mesures, notamment les caméras rapides et de l’augmentation continue des capacités de calcul) qui nous permettent d’avoir une description plus précise de ces structures, le 70 Conclusion-Perspectives plus important est ce qu’elles nous apprennent sur la physique de ces écoulements dans des situations extrêmes et sur les propriétés des équations en jeu. De même la stabilité de ces écoulements ou plutôt le développement d’instabilités sur ces interfaces restent encore un problème globalement mal compris : la dynamique non-linéaire bien sûr mais aussi l’étirement dynamique de l’interface compliquent les approches linéaires classiques. Les perspectives sur la dynamique des interfaces seront développées en gardant à l’esprit ces deux motivations principales et en prenant pour exemple le plus souvent des situations d’impacts. 4.3.1 Scénario global d’impact Nous sommes en effet encore loin d’avoir une description globale de la dynamique globale de l’impact. Par description globale, il faut comprendre savoir caractériser simplement la dynamique. Prenons l’exemple de l’impact d’une goutte sur une surface solide sèche. Certes, nous savons que l’impact va se caractériser par une phase d’étalement puis la rétraction du film liquide. Prédire si l’impact engendrera des éclaboussures, soit par prompt splash soit par le développement d’instabilités de la corolle liquide reste encore sujet à débat, malgré quelques lois empiriques qui restent incomplètes. En déduire la répartition de la taille des gouttelettes éjectées ainsi que leur vitesse tient encore de nos jours de la gageure. Pourtant, nous sommes capables de décrire plus ou moins bien de nombreuses briques de la dynamique de cette goutte : c’est le cas par exemples pour les temps courts dominés par le champ de pression, le rôle de la viscosité dans la formation des nappes fines, l’instabilité du bourrelet de la corolle, le détachement de la goutte par instabilité RayleighPlateau. Cependant, il n’existe pas à l’heure actuelle de théorie convaincante qui permette de relier ces différentes briques entre elles, ce qui rend tout prédiction quantitative hasardeuse. Une telle théorie paraı̂t encore inaccessible mais aller vers une meilleure description de l’enchaı̂nement entre ces différents régimes semble crucial pour notre compréhension globale de l’impact. Notamment, cela plaide fortement pour un développement important de la capacité de calcul numérique sur ces problèmes, développement qui doit aller au-delà de la simple augmentation de la puissance des machines et se traduire par des méthodes numériques plus performantes (résolution 3D, maillage adaptatif, calcul parallèle). Par exemple, la figure (4.5) montre le résultat d’une simulation numérique 3D d’impact d’une goutte sur un film liquide réalisée sur une machine parallèle par la méthode VOF avec un maillage fixe en 2004. Finalement, notre compréhension des différentes étapes de l’impact d’une goutte reste encore lacunaire : les travaux sur le comportement de la pression aux temps courts (à comparer aux prédictions obtenues par une théorie de pression impulsive) devraient permettre d’une part de mieux comprendre la balance des forces lors de la formation des films minces. Mais on doit aussi chercher à déterminer aux temps plus longs les équations d’évolution du film liquide formé par l’étalement de la goutte, notamment dans le but de décrire la dynamique de rétraction de la goutte dans les cas d’impacts sur surfaces hydrophobes. Pour déterminer la taille des gouttes éjectées lors de l’impact il semble important de pouvoir estimer l’importance des différentes instabilités pertinentes durant l’évolution de l’impact. En effet, de nombreuses instabilités interviennent, Richtmyer-Meshkov, Rayleigh-Taylor, Kelvin-Helmoltz, Rayleigh-Plateau... à des étapes différentes dans la dynamique. Même si la taille des gouttes finales semblent principalement dépendantes des épaisseurs du bourrelet et de la corolle formés, il convient de pouvoir estimer quantitativement les autres 4.3. Dynamiques d’interfaces 71 Fig. 4.5 – Simulation numérique d’impact d’une goutte sur un film liquide. effets. Cela demande notamment de pouvoir suivre ces instabilités lorsque la goutte s’étale et donc que la corolle s’élargit par exemple. Suivre la croissance des modes au fur et à mesure de l’évolution de l’impact et de la variation des types d’instabilités mises en jeu requiert de pouvoir tout d’abord connaı̂tre avec plus de précision les caractéristiques de l’impact en l’absence de perturbations (l’état de base). Bien que la position de la corolle au cours du temps soit bien comprise pour l’impact sur film liquide, ce n’est pas le cas pour l’impact sur surface sèche, même parfaitement hydrophobe. De même, l’épaisseur de la corolle et son profil, quantités très importantes pour déterminer sa dynamique d’étirement et probablement aussi l’instabilité du bourrelet, restent mal connus au cours d’un impact. 4.3.2 Sélection d’épaisseurs caractéristiques La formation de structures intenses et fines est une caractéristique majeure des écoulements interfaciaux sur laquelle bute la plupart des théories. Il peut s’agir de jets, de nappes liquides ou de corolles par exemple, comme on l’a vu illustré dans la plupart des problèmes discutés dans ce manuscrit. Une meilleure compréhension des échelles sélectionnées lors de la dynamique est donc cruciale pour décrire les mécanismes de régularisations des singularités lorsqu’elles sont présentes ou le développement d’instabilités comme nous l’avons montré dans le paragraphe précédent. Cette sélection peut provenir de la formation d’une couche limite instationnaire ou de la formation d’une structure capillaire (bourrelet) par exemple. Ces deux exemples me semblent particulièrement pertinents car ils illustrent une difficulté récurrente de ces problèmes qui mettent en compétition l’inertie, les forces visqueuses et les effets capillaires. Lorsque des singularités dynamiques sont présentes, les longueurs sélectionnés in fine par les termes d’ordre supérieurs peuvent être particuliè- 72 Conclusion-Perspectives rement petites, comme dans le cas de la singularité visqueuse par entraı̂nement[61, 38]. En général cependant, on se contente d’introduire ces longueurs caractéristiques par une analyse dimensionnelle prenant en compte les mécanismes qui semblent pertinents pour la sélection de cette longueur. Par exemple, c’est exactement ce qui a été proposé pour déterminer l’épaisseur de la nappe liquide éjecté lors de l’impact d’une goutte sur un film liquide[70]. Une fois le rôle de la viscosité identifié, la loi pour l’épaisseur est déterminé en prenant celle d’une couche limite visqueuse pour laquelle un temps doit être ”choisi” : on observe d’ailleurs que les différents choix possibles de ce temps (le temps t depuis le début de l’impact ou le temps propre de l’impact D/U0 ) ne changent pas la conclusion finale ! Cette approche, classique dans la littérature, est également celle utilisée par Yarin et Weiss dans leur étude expérimentale de l’impact[115]. Améliorer notre connaissance de la sélection de ces longueurs, en prenant le cas précis des impacts comme illustration, reste un problème difficile. En effet, les simulations numériques sont d’une aide restreinte dans ces cas-là car les structures à caractériser sont des échelles trop proches des tailles des mailles. Là encore, le développement de méthodes à raffinement de maillage adaptatif puissantes représente une importante source de perfectionnement de l’analyse numérique de ces écoulements. Expérimentalement, il est aussi très délicat et cela a donc été très rare jusqu’à présent de pouvoir mesurer avec précision l’épaisseur de ces structures. Dans le cas de l’impact sur film liquide, cela a pu être réalisé par Thoroddsen[106] grâce à l’utilisation d’une camera ultra-rapide, en bon accord qualitatif avec le modèle proposé (voir figure (4.6)). Il est donc particulièrement important de rechercher des situations pour lesquelles on pourrait déterminer analytiquement ou mesurer avec précision les longueurs caractéristiques de ces structures fines. On peut s’interroger notamment sur la croissance et la formation de couches limites visqueuses lors des problèmes d’impact et/ou lorsque l’interface est fortement déformée. Cette question est difficile à traiter analytiquement, notamment à cause de la complexité géométrique de l’impact (la zone d’impact croı̂t avec le temps dans le cas général d’une goutte sur un film ou une surface). Une manière de s’affranchir de cette contrainte géométrique consisterait à réaliser un impact d’une surface plane. Ceci est en fait réalisable en s’inspirant d’expériences récentes où l’impact était transmis à l’interface par l’impact du récipient contenant l’interface[2]. La figure (4.7) montre justement une expérience d’impact d’un ensemble goutte-tige sur le sol qui peut donc s’analyser comme l’impact d’un hémisphère liquide sur un disque solide. On observe l’éjection d’un film liquide mince sous la forme d’une cloche liquide. Cet impact offre l’avantage de pouvoir être traitée analytiquement dans le cadre de la théorie de pression impulsive[22] pour laquelle on peut chercher à déterminer le développement de la couche limite visqueuse en considérant les termes correctifs dus à la viscosité. Cette configuration représente ainsi un système idéal pour caractériser les paramètres pertinents de l’épaisseur de la nappe liquide éjectée, notamment en faisant varier la viscosité du liquide. D’autre part, une approche numérique de l’écoulement après l’impact peut être envisagé en prenant comme champ de vitesse initial celui obtenu par la théorie impulsive, afin de déterminer le rôle de la tension de surface dans l’évolution de la nappe liquide. Finalement, on peut justement conclure sur les perspectives nombreuses illustrées par ce type d’études qui combinent des approches expérimentales, théoriques et numériques complémentaires. 4.3. Dynamiques d’interfaces 73 Fig. 4.6 – Visualisation de la corolle formée lors de l’impact d’une goutte sur un film liquide mince (empruntée à [106]). 74 Conclusion-Perspectives Fig. 4.7 – Une demi-sphère liquide posée sur une tige est lachée d’une hauteur donnée sur le sol. Cette situation est équivalente à l’impact de la demi-sphère sur la tige. Dans cette expérience préliminaire, réalisée par Arnaud Antkowiak, on observe l’éjection d’une nappe formant une cloche liquide. Troisième partie Publications jointes 77 – C. Josserand and S. Zaleski, ”Droplet splashing on a thin liquid film”, Physics of Fluids 15, p 1650 (2003). – C. Josserand, L. Lemoyne, R. Troeger and S. Zaleski, ”Droplet impact on a dry surface : triggering the splash with a small obstacle”, Journal of Fluid Mechanics 524, p 47-56 (2005). – Y. Renardy, S. Popinet, L. Duchemin, M. Renardy, S. Zaleski, C. Josserand, M. Drumright-Clarke, D. Richard, C. Clanet and D. Quéré, ”Pyramidal and toroidal water drops after impact on a solid surface”, Journal of Fluid Mechanics 484, pp 69-83 (2003). – D. Bartolo, C. Josserand and D. Bonn, ”Retraction dynamics of aqueous drops upon impact on nonwetting surfaces.” J. Fluid Mech. 545, 329-338 (2005). – L. Duchemin, C. Josserand and P. Clavin, ”Asymptotic behavior of the RayleighTaylor instability”, Phys. Rev. Lett. 94, 224501 (2005). – L. Duchemin, S. Popinet, C. Josserand and S. Zaleski, ”Jet formation in bubbles bursting at a free surface”, Phys. Fluids 14, 3000-3008 (2002). – D. Bartolo, C. Josserand and D. Bonn, ”Singular jets and bubbles in drop impact”, Phys. Rev. Lett. 96, 124501 (2006). – L. Duchemin, J. Eggers and C. Josserand, ”Inviscid coalescence of drops”, J. Fluid Mech. 487, 167-178 (2003). – C. Josserand, P.-Y. Lagrée and D. Lhuillier, ”Granular pressure and the thickness of a layer jamming on a rough incline”, Europhys. Lett. 73, 363-369 (2006). – O. Devauchelle, C. Josserand, P.-Y. Lagrée and S. Zaleski, ”Morphodynamic modeling of erodible laminar channels”, Phys. Rev. E 76, 056318 (2007). – G. Düring, C. Josserand, and S. Rica, ”Weak Turbulence for a Vibrating Plate : Can One Hear a Kolmogorov Spectrum ?”, Phys. Rev. Lett. 97, 025503 (2006). 78 PHYSICS OF FLUIDS VOLUME 15, NUMBER 6 JUNE 2003 Droplet splashing on a thin liquid film Christophe Josseranda) and Stéphane Zaleskib) Laboratoire de Modélisation en Mécanique, CNRS and Université Pierre et Marie Curie (Paris VI), 8 rue du Capitaine Scott, 75015 Paris, France !Received 17 May 2002; accepted 14 March 2003; published 5 May 2003" We propose a theory predicting the transition between splashing and deposition for impacting drops. This theory agrees with current experimental observations and is supported by numerical simulations. It assumes that the width of the ejected liquid sheet during impact is precisely controlled by a viscous length l # . Numerous predictions follow this theory and they compare well with recent experiments reported by Thoroddsen $J. Fluid Mech. 451, 373 !2002"%. © 2003 American Institute of Physics. $DOI: 10.1063/1.1572815% I. INTRODUCTION A raindrop splashing on the ground, the impact of a fuel droplet on the walls of a combustion chamber, pesticide sprays, ink-jet printing, all involve the same complex dynamics. These impacts arise in many different contexts, and have important industrial applications as well as relevance to the natural sciences, such as soil erosion. Photographs of splashing droplets, starting with Edgerton’s classic,1 have become media icons. Splashing can occur at widely different scales, from the astronomical when a comet impacts a planet to the microscopic in laboratory experiments. Since the pioneering work of Worthington,2 many experimental, theoretical, and numerical works have been performed. Nevertheless the problem is far from being fully understood !for a review see Refs. 3– 6". The present study concentrates on the early times of droplet impact on a thin preexisting liquid layer. The two principal outcomes are splashing and deposition. Splashing occurs for large Weber and Reynolds numbers and involves many different dynamics. In many cases, a thin liquid sheet jets almost immediately after the impact. It arises in a small ‘‘impact neck’’ region located at radius r K , at the intersection between the almost spherical drop and the upper boundary of the liquid layer. Starting at early times the sheet grows into a corolla and propagates radially from the drop. The end rim that grows at the edge of this corolla is unstable and develops fingers of liquid.7 The fingers eventually break up into small droplets by the Rayleigh–Plateau instability. This whole process, shown on well-known photographs, has been described in numerous experimental papers !for instance, see Refs. 8 –11" and is generally called ‘‘corona’’ or ‘‘crown’’ splash. Such crown splash can still be produced until fairly low Weber and Reynolds number although it may not have enough time to break up and create secondary droplets. Also, usually at very high impact velocity or for impact on rough surfaces, the crown-type splash is not observed but a ‘‘prompt splash’’ is seen, in which secondary droplets are emitted immediately after the impact without any observable smooth sheet or corolla at the base. Below the velocities at which all these kinds of splashes are present, the drop only spreads gently on the surface without emitting jets or secondary droplets. An empirical relation has been established experimentally for the cross-over between spreading and deposition behaviors through the dimensionless ‘‘Sommerfeld parameter’’ K!We1/2Re1/4, where We is the Weber number and Re the Reynolds number !as defined below".10,12,13 When K is smaller than a threshold value K c then only deposition is observed, while for K"K c a splash develops. A reasonable estimate is K c &50 although the exact value of K c depends on the roughness of the solid surface and on the thickness of the liquid layer. Direct numerical simulations for drops impacting on liquid layers are a relatively new topic. It has attracted the attention of many researchers,14 –18 but only recently. Several of the simulations are based on a potential flow model with surface tension in axisymmetric geometry. They exhibit corolla formation and the r K &t 1/2 spreading law.14,16,17 In particular, simulations have shown that for strong impacts !large Weber numbers" a jet was formed in the neck region defined as the region of the interface where the drop and the film meet.16,17 However, potential flow calculations cannot exhibit the effect of viscosity while the Sommerfeld law includes it to predict the splashing-deposition transition. The theory that follows indeed shows why. Our theory investigates the splash dynamics with special emphasis on jet formation at short times. In simulations, we included viscosity and surface tension and solved the Navier–Stokes equations with sharp interfaces between a liquid and a gas phase. Momentum balance was solved on a very fine square grid. Interface tracking and conditions on the interface use volume of fluid !VOF" tracking as in Refs. 19 and 20. The theory to follow starts by assuming potential flow, which is then matched to a small viscous region at the impact neck. II. NUMERICAL METHOD We consider a liquid drop of diameter D, density ' L , and dynamic viscosity ( L . It impacts at speed U onto a thin a" Electronic mail: josseran@lmm.jussieu.fr Electronic mail: zaleski@lmm.jussieu.fr b" 1070-6631/2003/15(6)/1650/8/$20.00 1650 © 2003 American Institute of Physics Downloaded 31 Mar 2004 to 134.157.34.8. Redistribution subject to AIP license or copyright, see http://pof.aip.org/pof/copyright.jsp Phys. Fluids, Vol. 15, No. 6, June 2003 Droplet splashing on a thin liquid film 1651 FIG. 2. Geometry at early times. The unperturbed droplet and the unperturbed surface of the liquid layer intersect at distance r J from the origin. The asymptotic analysis is performed by assuming the flow perturbed in region II only. FIG. 1. Representation of the simulation setup for the impact of a drop on a liquid layer. liquid layer of the same liquid of thickness h. The surrounding gas has density ' G and viscosity ( G , the tension of the interface is ) . These initial conditions are shown in Fig. 1. We solve the axisymmetric incompressible Navier– Stokes equation with surface tension. Written in the one-fluid formulation, the equations read ' ! " *u #u"“u !$“ p#“"! 2 ( D" # ) + , s n, *t !1" where u!(u, v ) is the fluid velocity, ' the fluid density, D ! 12 (“u#(“u) T ) is the rate of deformation tensor, and p is the pressure. n denotes the normal to the interface and , s is the bidimensional delta function restricted to the interface. The viscosity and density are constant in each phase. Gravity is neglected and the continuity equation is “"u!0. !2" Later on we will consider only axisymmetric dynamics. The discretization is performed on a marker and cell grid and pressure is solved by the explicit projection method making use of multigrid convergence. The interface is followed by the volume of fluid/piecewise linear interface calculation method of Ref. 21 and the capillary force is computed through a variant of the continuous surface stress and continuous surface force methods19,20,22 adapted to axisymmetric geometry. A full description of the method can be found in Ref. 19 except for the adaptation to axisymmetric geometry which is described in Ref. 23. In this paper we investigate various grids from 128 %128 to 512%512. We have found that 256%256 grid points are needed to obtain a fair description of the impact, although we sometimes perform control runs on the finest grid (512%512). The VOF calculation is started with a droplet traveling at a prescribed velocity toward the fluid layer. At some time the two fluid regions reconnect. This involves various very small spatial scales. A thin gas layer forms between the two liquid regions and must be expelled. Under certain conditions voids or gas bubbles are actually entrapped during the impact be- cause the thin layer cannot retract fast enough.14 Molecular forces, acting on very small length,would also affect the motion of the interfaces in reality. These effects are below the grid scale and are not simulated. For the moment these very early times are beyond the scope of our study. However since the numerical method is based on the precise resolution of the momentum balance and the mass conservation equation, we argue that the situation just after reconnection offers a realistic starting point for the simulation run. Here the Weber and Reynolds numbers for the liquid are We! ' LU 2D , ) Re! ' L UD . (L Additional dimensionless numbers are the ratio h/D and the two numbers ' G / ' L and ( G / ( L describing the gas. The effects of the gas are not considered in any detail here, although they are present and add realism to the simulations. The characteristic time of impact is - !D/U. In the present study, we neglect compressibility and gravity. This implies that the Mach number Ma!U/c s and Froude number Fr !gD/U 2 are small. For instance, for the impact of a waterdrop of D!2 mm from a height of one meter, we obtain Ma!3%10$3 and Fr!10$3 . At very short times and scales, it is clear that gravity has an even smaller effect, but compressibility could be relevant. However even there, Lesser and Field24 have shown that compressibility plays no significant role at the velocities considered in the following. III. THEORY We attempt to analyze the early instants of impact in the large Reynolds and Weber number regime, when the descending sphere, if it were unperturbed by the impact, would intersect the upper plane of the liquid layer at a point J at a small distance r J (t)#(DUt) 1/2 from the origin !Fig. 2". The z axis is the vertical while the x – y plane is the upper surface of the initial layer. Our theory is based on the principle that at these early times, most of the liquid layer and the impacting drop are unperturbed. Thus there is an outer region !called region I" for $ r$ &r J in which the velocity is nearly constant in the falling fluid !region Ia" so u#$Uey , and nearby zero in the liquid layer !region Ib". Region I matches to an inner region Downloaded 31 Mar 2004 to 134.157.34.8. Redistribution subject to AIP license or copyright, see http://pof.aip.org/pof/copyright.jsp 1652 Phys. Fluids, Vol. 15, No. 6, June 2003 C. Josserand and S. Zaleski FIG. 3. Two types of solution, without jet !a" and with jet !b". If mass does not flow in from, or out to, infinity the areas marked # and $ must be equal. II where the flow is perturbed. We first investigate the potential flow problem of impact. The horizontal length scale for that flow is r J (t), while the vertical distance between the free surfaces is r 2J /D!Ut. It is likely that multiple solutions of the free surface potential flow problem exist, as is the case in other problems of this type.25 In particular we may distinguish between solutions with and without jet !Fig. 3". The solution without jet is reminiscent of the solution for the water entry of a wedge, which was found by conformal mapping techniques in Ref. 25. It consists there to find a selfsimilar solution defined by a geometrical length equivalent to r J . Similar problems have also been considered for free surface flows.26,27 The base of the jet is on the horizontal length scale at distance r K !Cr J from the origin, where C is a numerical constant given by the full solution of the potential flow problem. This constant will be taken equal to 1 in what follows, and so will other dimensionless constants, to avoid carrying on too many unknown numerical constants. The jet thickness e J must match the vertical length scale at the neck so that we find e J !Ut. The velocity v J of the jet may be obtained by a mass conservation argument. We assume that no mass radiates to or from infinity, an assumption that will be discussed in the following. Then the mass that comes from the impacting sphere per unit time is q! ' U . r K2 , !3" which has to be equal to the mass flux through the jet, q#2 .' r K e J v J , !4" v J # ! t/ - " $1/2U, !5" thus where - !D/U. When the jet starts forming it ends with a rim which tends to recede through surface tension effects. The receding or Taylor–Culick velocity28,29 is given by v C# ! " 2) 'eJ 1/2 !6" for a sheet of thickness e J , thus v C # ! t/ - " $1/2U We$1/2. !7" If v C ' v J the length of the jet increases, but if on the other hand, v C " v J the jet cannot form. Thus a necesssary condi- tion for the formation of the jet is that the Weber number is large. In that case, potential flow theory predicts that the jet may form at any time after impact. It remains to be explained why a potential flow solution with jet is selected over a solution without jet. In particular one needs to explain how the jet can appear in the free surface potential flow. We just notice that in the solution without jet the acceleration of the free surface at point K in Fig. 3 points from the gas to the liquid, which indicates that the interface is unstable with respect to the Rayleigh–Taylor instability in the frame of reference moving with the fluid, and for two-dimensional perturbations. These perturbations would naturally lead to the formation of a jet. When viscous effects are included, we observe that the inviscid theory is not valid for short time. Indeed the Reynolds number of the jet can be estimated as U(DUt) 1/2/ # asymptotically small for short time. We may though introduce a viscous length scale of the order of l # #( # t) 1/2. This length scale is larger than the vertical length scale Ut of the potential solution for t't # where t # ! - Re$1 . This defines a region III of size l # at the base of the jet where the vorticity is concentrated. Indeed vorticity is created in the highly curved regions of the interface at the base of the jet, then diffuses to distances of order l # . The solution in region III merges to the jet-like flow outside it. The analysis of the dynamics in this region presents a peculiar property since both viscous length l # and geometrical intersection r J follow the same regime in square-root of the time. Thus the viscous effects appear as a self-similar correction embedded in the geometrical dynamics. The jet has naturally a thickness of the order of the size of region III, e J !l # . When this happens the velocities of the jet and the receding tip are modified: the above-presented argument now yields v J #Re1/2 U, !8" while v C #U ! t/ - " $1/4 We$1/2 Re1/4. !9" The condition v C ' v J for jet formation now implies Re1/2 We !" t - 1/2 "1. !10" This condition gives a time t J after which the jet can form, t J # - K 4c Re$1 We$2 . !11" This time is always shorter than t # for We&1, thus jet formation at t J is consistent with the assumption of a viscous regime. Whenever t J / - is not small, the above may be seen as an approximation in the limit of large Re and We for the time of jet formation. Jet formation occurs early if t J ' - that is when We1/2 Re1/4/K c . !12" We thus recover Sommerfeld’s law. The factor K c has been introduced to account for all the numerical constants omitted until now. Additionally, the exact determination of this factor would need a precise description of the flow inside the jet. Further predictions may be made if we assume a scaling form for the solution. For distances larger than ! # the solu- Downloaded 31 Mar 2004 to 134.157.34.8. Redistribution subject to AIP license or copyright, see http://pof.aip.org/pof/copyright.jsp Phys. Fluids, Vol. 15, No. 6, June 2003 Droplet splashing on a thin liquid film tion ought to be potential. For t"t # this involves all length scales !"Ut, for t't # the potential flow is limited to ! "l # . These conditions define region II, inside which we assume the scaling form for the velocity potential 0 !UD ! t/ - " n f ! X,Y " , !13" where X,Y are the rescaled variables X!1$r/r J , Y !z/r J , and n is an exponent to be determined. The potential must satisfy boundary conditions on a free surface. The free surface must be determined as part of the solution but asymptotes to the spherical surface of the drop at large distance from region II. In region II the pressure also scales as p! ' U 2 ! t/ - " m g ! X,Y " , !14" where g is another scaling function and m has to be determined. This may be done by a momentum conservation argument. The downward momentum of the falling sphere is reduced by impact. This effect is felt in region II, so vertical momentum ‘‘lost’’ during the impact is of the order M #C ' r K3 U, !15" where C is a numerical constant of order 1. It must be stressed that the entire hatched region in Fig. 2 is affected by impact. The pressure balances this lost momentum by dM #2 . dt thus ! " DU C t % rJ !16" pr dr, 0 1/2 U#4 . U 2 !"% t - m 1 ! 1$X " g ! X,0" dX. !17" 0 Assuming the integral converges, it is a constant term and we find m!$1/2. Our reasoning is similar to the one expressed in Batchelor30 albeit in a different geometry. The maximum reached by the pressure depends on the behavior of g as X →0, X!0 being the location of the base of the jet. Expression !14" is valid until the smallest length scale in region II is reached. For t"t # this length is Ut so $ X $ &Ut/r K !(t/ - ) 1/2. Thus p max& ' U 2 ! t/ - " $1/2g !! t/ - " 1/2,0" . !18" On the other hand, when t't # the minimum length is l # , $ X $ &Re$1/2, and p max& ' U 2 ! t/ - " $1/2g ! Re$1/2,0" . !19" On this basis it is possible to show that the pressure field is harmonic. The Bernoulli theorem for potential flow implies 1 p * t 0 # ! “ 0 " 2 # !0, 2 ' !20" where the “ operator is in the original !unscaled" variables. We shall see that at short times the first and third terms dominate the second. Balancing the third with the first term, we find that n!1/2. The velocity may then be found by differentiating Eq. !13" to yield “ 0 !U“X f !UV! X,Y " , !21" 1653 where “X is the gradient with respect to the scaled variables and V is a dimensionless function. We expect “X V to vanish for large X,Y and thus V has a limit independent of time at large x,y. This matches the constant velocity U of the falling fluid in the outer region Ia. Thus our hypothesis is confirmed, namely that the first and third terms of the Bernouilli equation, being of order t $1/2, dominate the second. Thus p * t 0 #$ . ' !22" Since 1 0 !0 we also must have 1p!0, !23" so the pressure field is harmonic as in the pressure-impulse theory. We retrieve here a property of the problem of pressure impact studied in Refs. 30 and 31. IV. NUMERICAL RESULTS AND DISCUSSION For more insight into the splashing dynamics we now turn to the numerical simulation results. A series of simulations has been performed, for a 2-mm-diam droplet of a water-like liquid impacting a layer of the same liquid, 0.3 mm deep with a velocity of 10 m s$1 . The gas is taken twice denser than air at atmospheric pressure ( ' L / ' G !500) and the surface tension has been taken as a fraction of the airwater surface tension ( ) !0.025 kg s$2 ). The viscosity of the gas is taken slightly higher than for air ( ( g !5%10$4 kg m$1 s$1 ). We only varied the viscosity of the liquid, from 0.02 to 0.5 kg m$1 s$1 , with intermediate values 0.05, 0.1, and 0.2. The Weber number is thus 8000 for all cases while the Reynolds number evolves from 1000 to 40. The choice of these values was determined mainly by numerical stability and convenience to allow a large range of liquid Reynolds numbers. For instance higher density ratios would lead to stronger numerical instability at the interface by spurious currents. Time t!0 is set at the instant of impact. In addition, the liquid in the droplet and in the layer have been marked with two different colors, so that their specific evolution can be observed for various Reynolds numbers in Figs. 4– 6. These three simulations show important qualitative differences. The two less viscous impacts !Figs. 4 and 5" are splashing. The less viscous the fluid, the thinner the corolla and the larger the angle between the liquid sheet and the liquid layer. For the highest Reynolds number the impact is rapidly followed by secondary droplet break-up. Because of axisymmetry the liquid patches seen in Fig. 4 are actually toroidal. Further three-dimensional calculations would be needed to account properly for the evolution of the crown once non-axisymmetric perturbations grow.15,32 On the other hand, for Re!40, the droplet spreads gently on the surface. The impact creates a radially expanding surface wave. Jet formation is visualized in Fig. 7!a", where the interface profiles are shown near the neck of the impact as the jet is created, for Re!1000. The spreading radius r K is detected automatically in the simulations. For this purpose it is defined as the radius of the point where the velocity of the fluid was maximal at a given Downloaded 31 Mar 2004 to 134.157.34.8. Redistribution subject to AIP license or copyright, see http://pof.aip.org/pof/copyright.jsp 1654 Phys. Fluids, Vol. 15, No. 6, June 2003 C. Josserand and S. Zaleski FIG. 4. Density fields at t!0.01, 0.05, 0.1, 0.2, 0.7, and 1.5 unit time for We!8000 and Re!1000. instant. We have checked that this definition agrees with the visually determined spreading radius. In particular the basis of the corolla is well captured at large times and for high Reynolds number with this method. At short time this point almost coincides with the intersection between the drop and the liquid layer. Indeed we first observe that r K and r J follow the same scaling behavior: r K #r J ! t " ! !DUt. FIG. 5. Density fields at t!0.01, 0.05, 0.1, 0.2, 0.7, and 1.5 unit time for We!8000 and Re!100. panding liquid coming from the drop with the liquid of the layer at rest. It has been shown10 that the dynamics is there controlled by a Burgers-type equation which leads to the same scaling !24". There is here a remarkable coincidence: the physical principles that lead to the square-root behavior at short times are completely different from those leading to the scaling at long times. However in our range of simulations law !24" is valid with the same prefactor from short !24" Actually, a careful analysis of the data in Fig. 8 gives r K !1.1r J (t). It accounts thus for the mass conservation correction to the geometric law r J . The above-presented theory predicts a constant ratio r K /l # with time. This is observed in Fig. 7!b" where the width of the jet is captured by two straight lines as r K increases. Figure 8 shows r K for We!8000 and Re!100, 200, 400, and 1000. The geometric relation !24" is well verified for each curve and no significant dependence on the viscosity is found. We can remark that the geometric scaling law !24" is valid even at large times while the argument was only valid at short times. It is, however, a well-established result for the impact radius.10 At larger times the dynamics of expansion is indeed imposed by an effective collision between the ex- FIG. 6. Density fields at t!0.5 and t!1.5 unit time for We!8000 and Re!40. Downloaded 31 Mar 2004 to 134.157.34.8. Redistribution subject to AIP license or copyright, see http://pof.aip.org/pof/copyright.jsp Phys. Fluids, Vol. 15, No. 6, June 2003 FIG. 7. !a" Interface shapes near the neck of the impact, for We!8000 and Re!1000 !same case as Fig. 4". The four profiles correspond to the times t/ - !0.07, 0.11, 0.15, and 0.19. We observe the formation of a jet coming out of the neck. The last profile shows the breakup of the jet. Numerically, it happens when the structure size is of the order of the grid size. !b" The evolution of the jet width is contained by two straight dashed lines as the splash develops. The extremity of the jet is also followed by the straight solid line !courtesy of Denis Gueyffier—Ref. 23". Droplet splashing on a thin liquid film 1655 FIG. 9. Pressure field near the neck of the impact for t/ - !0.1, We!8000, and !a" Re!100 and !b" Re!1000. The isoline curves are distributed equally on each curve. times to moderate times !t/- #3). No explanation has yet been found for this fact. A pressure peak is observed in the simulation at the impact neck !Fig. 9" as predicted in our theory. Figure 10 shows the maximum pressure in the liquid as a function of time for We!8000 and Re!100, 200, 400 and 1000. For these Reynolds numbers a jet is always created. The scale ' U 2 (t/ - ) 1/2 is also shown on the figure and gives the correct behavior of the pressure peak at short times (t/ - '1). Indeed, for large Reynolds and small ratio t/ - the scaling !19" suggests that the pressure peak should follow this scale. However the dependence on Re1/2 that we have determined, Eq. !19", does not appear here. The pressure drops rapidly as expected in our theory for t& - . The observation of the pressure field shows also that regions of equal pressure fan around the neck !see Fig. 9". Moreover, Fig. 11 exhibits the pressure profile near the neck at short times after the impact. The normalized pressure is exactly shown as a function of the normalized distance 2 (2! $ r$r K er$ /r K ) along the vertical from the neck. The pressure drops spatialy from the impact center. The profiles however do not superpose, indicating a poor agreement with our similarity theory. However, the numerical accuracy of these curves is very weak and a special study is needed for the short time pressure profiles. Eventually, we analyze the influence of viscosity on the vorticity field. The vorticity fields for Re!1000 and Re!100 are shown in Fig. 12 for t/ - !0.1. It corresponds to the third snapshot of !4" and !5". The vorticity is concentrated near the neck and forms two counter-rotating vortex rings which expel the liquid toward the jet. Figure 13!a" follows the absolute mean amplitude of the vortex dipole as a function of time for the different Reynolds numbers explored already. The amplitude of the vortex dipole is computed through the difference between the highest !positive" and the lowest !negative" values of the vorticity in the liquid bulk. The four FIG. 8. Log–log plot of the spread factor r/D as a function of Ut/D for the same Weber number !8000" and different Reynolds numbers !Re!100, 200, 400, and 1000". The straight line corresponds precisely to the power law r J ! !DUt. FIG. 10. Log–log plot of the dimensionless pressure peak P max /('U2) as a function of t/ - for the same Weber number !8000" and different Reynolds numbers !Re!20, 100, 200, 400, and 1000". The pressure scale (t/ - ) $1/2 is represented by the straight line above the curves. Downloaded 31 Mar 2004 to 134.157.34.8. Redistribution subject to AIP license or copyright, see http://pof.aip.org/pof/copyright.jsp 1656 Phys. Fluids, Vol. 15, No. 6, June 2003 C. Josserand and S. Zaleski FIG. 13. !a" Intensity of the vortex rings as a function of the time t/ - for We!8000 and Re!100, 200, 400, and 1000 !curves from bottom to top"; !b" same curves but where the vorticity is rescaled by !Re so that the curves are now on the same scale. time at which the jet forms grows linearly with viscosity $Eq. !11"%. In addition the scaling law v J & !ReU $Eq. !8"% corresponds exactly to the measured dependence of the initial sheet velocity with viscosity reported in Ref. 8. FIG. 11. Pressure profiles from the neck center for t/ - !0.01 !crosses", t/ - !0.05 !squares", and t/ - !0.09 !diamonds" for the less viscous case considered, Re!1000 and We!8000. The pressure has been normalized by the pressure peak. The profiles are taken along the vertical direction from the neck and are shown as a function of 2 the relative distance to the pressure peak. curves show a similar behavior but at different scale, and we observe that the larger the viscosity, the smaller the amplitude. The vorticity is indeed diffused through viscous diffusion over a distance l # (t) from the interface. Thus the vorticity scale should evolve like 1/!Re when viscosity varies. Indeed, in Fig. 13!b" we present the same quantity rescaled by the factor !Re. We observe that all the curves converge to the same one, particularly at short times. This result validates the assumption of our theory that the length scale involved at the jet basis is selected by the viscous length l # . There are little quantitative experimental data to compare our theory with. The scaling of the experimental law !12" is recovered with the critical number K c estimated to be 225 in our numerics. Experimentally, K c has been found to vary between few tens and few hundreds, decreasing with the surface roughness. In our numerics, the surface has no roughness so that the observed K c is consistent with experiments. Besides the Sommerfeld law there are few other experimental results with the exception of the recent work of Thoroddsen.8 As in our theory, experiments show that the FIG. 12. Vorticity field near the neck of the impact for t/ - !0.1, We!8000, and !a" Re!100 and !b" Re!1000. The color scale shows high vorticity region in dark color. V. CONCLUSION Our theory, supported by numerical simulations, predicts the scaling of the transition between splashing and deposition. It is in agreement with current experimental observations and in particular recovers the splashing-deposition criterion !12". Agreement is found with recent experimental observations such as the initial sheet velocity.8 To summarize our theory, it constructs a potential flow everywhere except in a small neck region. Viscosity is shown to play a major role in that region, selecting the width of the jet that develops into the crown. Surface tension then comes in to allow or prevent the formation of the jet. Several points remain to be investigated in future experiments and simulations. A numerical investigation of the time of jet formation has not been possible, because the jet and the neck region that scales with it become too thin as the formation time recedes to zero. However, one should note a contradiction with results from calculations done with BIM methods.16 There, a welldefined jet width is selected, while the asymptotic limit of our self-similar theory would suggest that a jet should be present at arbitrarily small times, with a vanishing thickness. It is possible that the BIM numerical method produces a short length scale cutoff which limits the minimum size of the jet. This amounts to the problem of jet formation in a potential flow as pointed to earlier. A numerical confirmation of this hypothesis would clearly be interesting. In any case a physical cut-off of microscopic size will always be present in a real system. In our investigations the highest Reynolds number was actually restricted by the numerical cut-off of the finest jet width that could be resolved !here the thinnest jet is 2 (m width". Further numerical developments such as adaptive meshed refinement for instance would greatly improve this issue. Another point of interest would be to investigate the shape of the emerging jet as it evolves into the corolla. This shape can be found by integration of the equations for a thin sheet with surface tension. Without surface tension the problem is even simpler, as each sheet particle follows a ballistic Downloaded 31 Mar 2004 to 134.157.34.8. Redistribution subject to AIP license or copyright, see http://pof.aip.org/pof/copyright.jsp Phys. Fluids, Vol. 15, No. 6, June 2003 path. The shapes depend on the angle of ejection of the jet !which our theory does not give". A recent paper has investigated the corolla dynamics following these rules.33 Moreover the location of the tip of the jet and the width of the associated rim depend on the time of appearance of the jet. Knowing the shape of the jet and the location of the end rim would allow one to compute its stability with respect to perturbations, thus addressing the long-standing problem of crown formation. These unresolved issues regarding the shape of the interface and the angle of the jet could probably be resolved through a detailed analysis of potential flow in the neck region, which is the focus of ongoing investigations. 1 H. E. Edgerton and J. R. Killian, Flash !Branford, Boston, 1954". A. M. Worthington, ‘‘On the form assumed by drops of liquids falling vertically on a horizontal plate,’’ Proc. R. Soc. London 25, 261 !1876". 3 A. Prosperetti and H. Og̃uz, ‘‘The impact of drops on liquid surfaces and the underwater noise of rain,’’ Annu. Rev. Fluid Mech. 25, 577 !1993". 4 M. 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Redistribution subject to AIP license or copyright, see http://pof.aip.org/pof/copyright.jsp 90 * 0.035mm o 0.07mm + 0.2mm 80 90 measurements theory numeric 80 sheet angle (degrees) Angle (°) 70 60 50 70 60 50 40 30 20 40 10 30 0 0.5 1 1.5 Time (t*U/D) 2 2.5 3 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 dimensionless obstacle distance dobs/D 1.2 1.4 1.2 0.035mm 0.07mm 0.2mm Length (l/D) 1 0.8 0.6 0.4 0.2 0 0 0.5 1 1.5 Time (t*U/D) 2 2.5 3 (a) (b) (c) 3 3 3 2 1 0 z 4 z 4 z 4 2 1 2 r 3 1 0 2 1 2 r 3 1 0 1 2 r 3 x Vi,j+1/2 Δxj Ui-1/2,j r Δr i (a) P i,j C i,j Vi,j-1/2 (b) Ui+1/2,j tB B ρu Ω tA A x no slip & non-wetting on walls Lx V g 0 0 Lr r 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5 0 0 0 0 0 0 −0.2 0 0.2 −0.2 0 0.2 −0.2 0 0.2 −0.2 0 0.2 −0.2 0 0.2 −0.2 0 0.2 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5 0 0 0 0 0 0 −0.2 0 0.2 −0.2 0 0.2 −0.2 0 0.2 −0.2 0 0.2 −0.2 0 0.2 −0.2 0 0.2 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5 0 0 0 0 0 0 −0.2 0 0.2 −0.2 0 0.2 −0.2 0 0.2 −0.2 0 0.2 −0.2 0 0.2 −0.2 0 0.2 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5 0 0 0 0 0 0 −0.2 0 0.2 −0.2 0 0.2 −0.2 0 0.2 −0.2 0 0.2 −0.2 0 0.2 −0.2 0 0.2 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5 0 0 0 0 0 0 −0.2 0 0.2 −0.2 0 0.2 −0.2 0 0.2 −0.2 0 0.2 −0.2 0 0.2 −0.2 0 0.2 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5 0 −0.2 0 0.2 0.5 0 −0.2 0 0.2 0 −0.2 0 0.2 0.5 0 −0.2 0 0.2 0 −0.2 0 0.2 0.5 0 −0.2 0 0.2 0 −0.2 0 0.2 0.5 0 −0.2 0 0.2 0 −0.2 0 0.2 0.5 0 −0.2 0 0.2 0 −0.2 0 0.2 0.5 0 −0.2 0 0.2 22 20 18 Kinetic Energy 16 14 12 10 8 6 4 2 0 0.002 0.004 0.006 t units 0.008 0.01 0.012 0.3 0.2 0.1 0 0 0.1 0.2 0.3 0.25 0.2 0.1 0 0.001 0.1 0.2 0.299 0.1 0.2 0.3 0.1 0.2 0.3 0.25 0.2 0.1 0 0.001 0.2 0.1 0 0.001 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5 0 0 0 0 0 0 −0.2 0 0.2 −0.2 0 0.2 −0.2 0 0.2 −0.2 0 0.2 −0.2 0 0.2 −0.2 0 0.2 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5 0 0 0 0 0 0 −0.2 0 0.2 −0.2 0 0.2 −0.2 0 0.2 −0.2 0 0.2 −0.2 0 0.2 −0.2 0 0.2 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5 0 0 0 0 0 0 −0.2 0 0.2 −0.2 0 0.2 −0.2 0 0.2 −0.2 0 0.2 −0.2 0 0.2 −0.2 0 0.2 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5 0 0 0 0 0 0 −0.2 0 0.2 −0.2 0 0.2 −0.2 0 0.2 −0.2 0 0.2 −0.2 0 0.2 −0.2 0 0.2 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5 0 0 0 0 0 0 −0.2 0 0.2 −0.2 0 0.2 −0.2 0 0.2 −0.2 0 0.2 −0.2 0 0.2 −0.2 0 0.2 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5 0 −0.2 0 0.2 0.5 0 −0.2 0 0.2 0.5 0 −0.2 0 0.2 0.5 0 −0.2 0 0.2 0.5 0 −0.2 0 0.2 0.5 0 −0.2 0 0.2 0.5 0 0 0 0 0 0 −0.2 0 0.2 −0.2 0 0.2 −0.2 0 0.2 −0.2 0 0.2 −0.2 0 0.2 −0.2 0 0.2 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5 0 0 0 0 0 0 −0.2 0 0.2 −0.2 0 0.2 −0.2 0 0.2 −0.2 0 0.2 −0.2 0 0.2 −0.2 0 0.2 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5 0 0 0 0 0 0 −0.2 0 0.2 −0.2 0 0.2 −0.2 0 0.2 −0.2 0 0.2 −0.2 0 0.2 −0.2 0 0.2 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5 0 0 0 0 0 0 −0.2 0 0.2 −0.2 0 0.2 −0.2 0 0.2 −0.2 0 0.2 −0.2 0 0.2 −0.2 0 0.2 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5 0 −0.2 0 0.2 0.5 0 −0.2 0 0.2 0 −0.2 0 0.2 0 −0.2 0 0.2 0 −0.2 0 0.2 0 −0.2 0 0.2 0 −0.2 0 0.2 20 18 16 Kinetic Energy 14 12 10 8 6 4 2 0 0 0.002 0.004 0.006 0.008 0.01 t units 0.012 0.014 0.016 0.018 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5 0 0 0 0 0 0 −0.2 0 0.2 −0.2 0 0.2 −0.2 0 0.2 −0.2 0 0.2 −0.2 0 0.2 −0.2 0 0.2 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5 0 0 0 0 0 0 −0.2 0 0.2 −0.2 0 0.2 −0.2 0 0.2 −0.2 0 0.2 −0.2 0 0.2 −0.2 0 0.2 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5 0 0 0 0 0 0 −0.2 0 0.2 −0.2 0 0.2 −0.2 0 0.2 −0.2 0 0.2 −0.2 0 0.2 −0.2 0 0.2 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5 0 0 0 0 0 0 −0.2 0 0.2 −0.2 0 0.2 −0.2 0 0.2 −0.2 0 0.2 −0.2 0 0.2 −0.2 0 0.2 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5 0 0 0 0 0 0 −0.2 0 0.2 −0.2 0 0.2 −0.2 0 0.2 −0.2 0 0.2 −0.2 0 0.2 −0.2 0 0.2 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5 0 −0.2 0 0.2 0 −0.2 0 0.2 0 −0.2 0 0.2 0 −0.2 0 0.2 0 −0.2 0 0.2 0 −0.2 0 0.2 0.3 0.3 0.2 0.2 0.1 0.1 0 0.3 0 0.1 0.2 0.3 0 0.3 0 0.2 0.2 0.1 0.1 0 0.3 0 0.1 0.2 0.3 0 0.3 0 0.2 0.2 0.1 0.1 0 0.3 0 0.1 0.2 0.3 0 0.3 0 0.2 0.2 0.1 0.1 0 0.3 0 0.1 0.2 0.3 0 0.3 0 0.2 0.2 0.1 0.1 0 0.1 0.2 0.3 0.1 0.2 0.3 0.1 0.2 0.3 0.1 0.2 0.3 0.1 0.2 0.3 0 0 0.1 0.2 0.3 0 20 18 16 512x768 256x512 Kinetic Energy 14 12 10 384x576 8 6 4 2 0 0 1 2 3 4 5 t units 6 7 8 9 −3 x 10 0.3 0.3 0.2 0.2 0.1 0.1 0 0.3 0 0.1 0.2 0.3 0 0.3 0 0.2 0.2 0.1 0.1 0 0.3 0 0.1 0.2 0.3 0 0.3 0 0.2 0.2 0.1 0.1 0 0.3 0 0.1 0.2 0.3 0 0.3 0 0.2 0.2 0.1 0.1 0 0.3 0 0.1 0.2 0.3 0 0.3 0 0.2 0.2 0.1 0.1 0 0.1 0.2 0.3 0.1 0.2 0.3 0.1 0.2 0.3 0.1 0.2 0.3 0.1 0.2 0.3 0 0 0.1 0.2 0.3 0 18 16 14 Kinetic Energy 12 10 8 6 4 2 0 0 0.005 0.01 0.015 0.02 t units 0.025 0.03 0.035 0.5 0.5 0.4 0.4 0.3 0.3 0.2 0.2 0.1 0.1 0 0 0 0.1 0.2 0.3 0.5 0.5 0.4 0.4 0.3 0.3 0.2 0.2 0.1 0.1 0 0 0.1 0.2 0.3 0 0.1 0.2 0.3 0 0 0.1 0.2 0.3 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5 0 0 0 0 0 0 −0.2 0 0.2 −0.2 0 0.2 −0.2 0 0.2 −0.2 0 0.2 −0.2 0 0.2 −0.2 0 0.2 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5 0 0 0 0 0 0 −0.2 0 0.2 −0.2 0 0.2 −0.2 0 0.2 −0.2 0 0.2 −0.2 0 0.2 −0.2 0 0.2 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5 0 0 0 0 0 0 −0.2 0 0.2 −0.2 0 0.2 −0.2 0 0.2 −0.2 0 0.2 −0.2 0 0.2 −0.2 0 0.2 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5 0 0 0 0 0 0 −0.2 0 0.2 −0.2 0 0.2 −0.2 0 0.2 −0.2 0 0.2 −0.2 0 0.2 −0.2 0 0.2 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5 0 0 0 0 0 0 −0.2 0 0.2 −0.2 0 0.2 −0.2 0 0.2 −0.2 0 0.2 −0.2 0 0.2 −0.2 0 0.2 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5 0 −0.2 0 0.2 0.5 0 −0.2 0 0.2 0.5 0 −0.2 0 0.2 0.5 0 −0.2 0 0.2 0.5 0 −0.2 0 0.2 0.5 0 −0.2 0 0.2 0.5 0 0 0 0 0 0 −0.2 0 0.2 −0.2 0 0.2 −0.2 0 0.2 −0.2 0 0.2 −0.2 0 0.2 −0.2 0 0.2 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5 0 0 0 0 0 0 −0.2 0 0.2 −0.2 0 0.2 −0.2 0 0.2 −0.2 0 0.2 −0.2 0 0.2 −0.2 0 0.2 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5 0 0 0 0 −0.2 0 0.2 −0.2 0 0.2 −0.2 0 0.2 −0.2 0 0.2 0.5 0.5 0.5 0.5 0 −0.2 0 0.2 0 −0.2 0 0.2 0 −0.2 0 0.2 0 −0.2 0 0.2 0 −0.2 0 0.2 0 −0.2 0 0.2 9 1590/Re^1.49+3.62 Numerical simulation 8 Weber 7 6 Dry 5 4 Wet 3 0 200 400 600 Reynolds 800 1000 t=4.59694 t=5.00101 t=7.19185 t=6.00097 t=8.09174 t=6.79424 t=6.81488 t=7.21545 t=8.10929 t=4.60597 t=5.00396 t=6.01979 t=6.39092 t=2.80142 t=6.40985 t=2.80972 t=6.19045 t=0 t=6.20524 t=0 Under consideration for publication in J. Fluid Mech. 1 Retraction dynamics of aquous drops upon impact on nonwetting surfaces. By DENIS BARTOLO1 CHRISTOPHE JOSSERAND2 and DANIEL BONN1,3 1 Laboratoire de Physique Statistique de l’ENS, 24 Rue Lhomond, 75231 Paris cedex 05, France 2 Laboratoire de Modélisation en Mécanique, CNRS-UMR 7606, Case 162, 4 place Jussieu, 75252 Paris Cédex 05-France 3 van der Waals-Zeeman Institute, University of Amsterdam, Valckenierstraat 65, 1018 XE Amsterdam, The Netherlands (Received 10 November 2006) We study the impact and subsequent retraction dynamics of liquid droplets upon highspeed impact on hydrophobic surfaces. Performing extensive experiments, we show that the drop retraction rate is a material constant and does not depend on √ the impact velocity. We show that when increasing the Ohnesorge number, Oh = η/ ρRI γ, the retraction, i.e. dewetting, dynamics crosses over from a capillaro-inertial regime to a capillaro-viscous regime. We rationalize the experimental observations by a simple but robust semi-quantitative model for the solid-liquid contact line dynamics inspired by the standard theories for thin film dewetting. 1. Introduction: Drop Impact on Solid Surfaces Drops impacting onto solid surfaces are important for a large number of applications: for instance, almost all spray coating and deposition processes rely ultimately on the interaction of a droplet with a surface. A large variety of phenomena can be present during drop impacts, from splashes to spreading, and from large wave surface deformation to rebound (see (Rein 1993) and references therein). Research on drop impacts has a long history, starting with the pioneering studies of Worthington and later on with the famous photographs of Edgerton(Worthington 1876; Edgerton & Killian 1954). Most of the previous work on drop impact focused on determining the maximum diameter a drop is capable of covering upon impact (Fukai et al. 1993; Roisman et al. 2002; Clanet et al. 2004). However, the practical problem of deposition can be very different if one wants to efficiently deposit some material on the surface. This is especially grave when the surface is not wetted by the liquid, as is illustrated by the high-speed video pictures in Fig.1 for the impact of a water droplet. It can be observed that the drop expands rapidly, due to the large speed with which it arrives at the surface. However, due to the hydrophobicity of the surface, subsequently the drop retracts violently, leading to the ejection of part of the droplet from the surface: we observe droplet rebound. It is this ”rebound” that is the limiting factor for deposition in many applications, for instance for the deposition of pesticide solutions on hydrophobic plant leaves (Bergeron et al. 2000). We study here the impact and subsequent retraction of aqueous drops onto a hydrophobic surface, and seek to understand the dynamics of expansion and retraction of the droplets. 2 Denis Bartolo, Christophe Josserand and Daniel Bonn (a) (b) Figure 1. Temporal evolution of the contact radius of droplets upon impact and retraction. The radii are normalized by those of the spherical droplets before impact. The pictures show the shape of the droplets at the different stages of retraction. Droplet radius is 1 mm, impact speed is 2 m · s−1 : a) pure water, b) viscous water-glycerol mixture, viscosity 50 mPa · s. In general, these problems are difficult because for most practical and laboratory situations, three forces play an important role: the capillarity and viscous forces, and the inertia of the droplets. We try and disentangle the effects of the three forces here by performing systematic experiments, varying both the importance of viscous and inertial forces. We provide experimental evidence for the existence of two distinct retraction regimes. In both regimes, capillary forces are the motor behind the droplet retraction, and are, for the first regime countered by inertial forces. In the second regime the main force slowing down the retraction is viscous. We also show that, perhaps surprisingly, the drop Drop Retraction upon impact 3 retraction rate (the retraction speed divided by the maximum radius) does not depend on the impact velocity for strong enough impacts. The dimensionless number that governs √ the retraction rate is found to be the Ohnesorge number, Oh = η/ ρRI γ, with η the viscosity, ρ the liquid density, RI the impacting drop radius, and γ the surface tension. The Ohnesorge number therefore compares the dissipative (viscous) forces to the nondissipative (capillary and inertial) forces. The crossover between the two regimes is found to happen at a critical Ohnesorge number on the order of 0.05 . In order to develop a better understanding for the different regimes that are encountered, particularly the retraction dynamics in these regimes, we propose two simple hydrodynamic models inspired by the standard description of thin film dewetting dynamics. These simple models provide a simple but quite robust picture that allows us to rationalize the retraction rate in both regimes. In order to be able to say something about the speed of retraction, one also needs to understand the maximum radius to which the droplet expands. Combining our results with those obtained by (Clanet et al. 2004) for the maximum radius, we propose a phase diagram delimiting four regions for the spreading and retraction dynamics of impacting drops. 2. Drop retraction dynamics: Generic Features As the impact dynamics of liquid droplets on a solid surface happens usually in a few tens of milliseconds, we use a high-speed video system (1000 frames/second, Photonetics) to analyze the drop-impact events. When necessary, we use an ultrahigh-speed system allowing to go up to 120,000 frames/second (Phantom V7). We study aqueous drops impacting on a solid surface; the surface we used is Parafilm, which provides us with a hydrophobic surface (receding contact angle for water θR ≈ 80◦ ). In addition, the surface has a low contact angle hysteresis with water, and allows us to obtain highly reproducible results. The liquids we used are different water-glycerol mixtures. Varying the glycerol concentration, we vary the liquid viscosity, keeping the liquid density and its surface tension almost constant. For the highest concentration of glycerol, the surface tension has decreased from 72 (pure water) to 59 mN m−1 , whereas the density has increased to 1150kg/m3. The viscosity is varied between 1 and 205 mPas. Viscosity, density and surface tension were measured before each impact experiment. Drops were produced using precision needles, and the initial radius of the drops R I have been systematically measured on the images (1.1 < R I < 1.4 mm). From the high-speed images such as the ones shown in Fig.1, we follow the contact radius R in time. This section summarizes the results of more than 80 different drop impact experiments, each of which have been repeated at least two times. Two series of experiments were performed: first, letting the droplets fall from a fixed height, but increasing the viscosity, we increase the Ohnesorge number while keeping the inertial forces constant. The second series of experiments is performed at fixed viscosity and upon increasing the height from which the droplets falls; the droplet turns out to be in free fall (as is verified in the experiment to within a few√percent) and so the relation between fall height h and impact velocity is simply V I = gh, with g the gravitational acceleration. Increasing the impact velocity increases the Weber number, keeping the Ohnesorge number fixed, where the Weber number, We, compares the inertial forces to the capillary forces, We ≡ ρRI V 2I /γ. In all that follows, we restrain ourselves to high-speed impact conditions. More precisely, the Weber and Reynolds numbers are chosen so that We > 10 and Re > 10, where Re ≡ ρRI V I /η is the Reynolds number. This implies that inertial forces are at least one 4 Denis Bartolo, Christophe Josserand and Daniel Bonn (a) (b) Figure 2. Temporal evolution of the contact radius for a water-glycerol drop Oh = 9.1 10−2 , R I = 1.2 mm (a) contact radius vs. time, (b) contact radius normalized by the maximum spreading radius vs. time Impact velocities : ×: VI = 2.4ms−1 , +: VI = 2.2ms−1 , ◦: VI = 1.9ms−1 ,!: VI = 1.7ms−1 , ∆: VI = 1.4ms−1 , #: VI = 1ms−1 order of magnitude larger than both the capillary and the viscous forces. Such conditions imply large deformations of the drop when the liquid impinges on the solid substrate. On the other hand, we also restrain our experiments to impact speeds that are far from the ’splashing’ regime in which the drop disintegrates after impact to form a collection of much smaller droplets (Mundo et al. 1995). The pictures in Fig.1 show that two distinctly different regimes exist for the shape of the droplets after impact. For low fluid viscosity, we typically obtain the images shown in Fig.1(a). At the onset of retraction, almost all of the fluid is contained in a donutshaped rim, with only a thin film of liquid in the center. On the other hand, for high viscosities the deformation of the drop is less important, and the pancake-shaped droplet of Fig.1(b) results. These visual observations allow to distinguish the capillary-inertial and the capillary-viscous regimes that are described in detail below directly. 2.1. Drop Retraction Rate: influence of fall height and viscosity Fig. 2 summarizes the most important findings of this study. The temporal evolution of the drop contact radius R(t) for different impact velocities, shown in (a), is normalized in (b) by its maximal value at the end of the spreading R max . Two important observations are made. (i) A well defined retraction velocity Vret can be extracted from each experiment; this is a non-trivial observation that will be rationalized below. (ii) Independently of the impact speed, all the R(t)/R max curves collapse onto a single curve for different impact velocities. This shows that the retraction rate, rather than the retraction speed is the natural quantity to consider, and that this rate is independent of the impact velocity. These results hold for all the viscosities tested in our experiments. In Fig. 3 we have plotted the retraction rate %̇ ≡ V ret /Rmax versus the impact Weber Drop Retraction upon impact 5 %̇ Figure 3. Retraction Rate plotted versus Impact Weber number for various water glycerol droplets. ×: Oh = 2.510−3 , +: Oh = 3.910−3 , ◦: Oh = 1.510−2 , ": Oh = 1.610−2 , !: Oh = 2.310−2 , #: Oh = 7.110−2 number, where V ret is defined by V ret ≡ max [−Ṙ(t)]. Clearly, the drop retraction rate does not depend on the impact velocity. One might think that the explanation for this observation is rather obvious: the initial kinetic energy of the droplet is transformed into surface energy (which fixes R max /RI ∝ We 1/2 ), and is then transformed back into kinetic energy (which in turn fixes Vret ∝ VI ). This naive explanation is unfortunately wrong fro the following reasons. First, it has been observed recently that, at the onset of retraction, low viscosity liquids undergo vortical motion in the drop (Clanet et al. 2004). This residual flow in the drop reveals that a part of the initial kinetic energy is still available then, and thus that a simple energy balance argument cannot work. This was indeed already suggested by previous observations of a clear disagreement between experiments and the Rmax /RI ∝ We 1/2 law(Fukai et al. 1993; Roisman et al. 2002; Okumura et al. 2003). The second reason why the simple energy-balance argument does not work follows directly from Fig. 3, where it is shown that the retraction rate depends on the viscosity and consequently that the previous inviscid picture is not correct. We therefore performed experiments that elucidate the role of the viscosity, or, equivalently, of the Ohnesorge number. For what follows, it is convenient to define two intrinsic time scales for the droplet: a viscous one and an inertial one. The viscous time is the relaxation time of a large-scale deformation of a viscous drop: τv ≡ (ηR I )/γ, whereas the inertial time scale: τi = ( 34 πρR 3I /γ)1/2 corresponds to the capillary oscillation period of a perturbed inviscid droplet. Since τi is independent of V I and η, this quantity is almost constant for all tested drops. Fig. 4 shows the retraction rate, made dimensionless using the inertial time, as a function of the Ohnesorge number. It can be observed in the figure that two different regimes exist for the retraction rate. The first region where the retraction rate %̇ is independent of the viscosity points to an inertial regime and %̇ ∝ τi−1 . The retraction rate is consequently found not to depend on the impact speed, a result similar to that obtained recently by (Richard et al. 2002) who show that the contact time is independent of the impact speed. For higher viscosities, typically Oh > 0.05, the retraction rate decreases strongly. In this regime, capillary and viscous forces govern the dynamics: we find %̇ ∝ τv−1 . 6 Denis Bartolo, Christophe Josserand and Daniel Bonn 10 1 e %̇τi 0.1 0.01 0.001 0.01 0.1 1 Oh Figure 4. Circles: Normalized retraction rate !τ ˙ i plotted versus the Ohnesorge number, experimental values. Error bars represent the maximum deviation from the mean value. Full line: (left) !τ ˙ i evaluated using Eq. 3.2, (right) !τ ˙ i evaluated using Eq. 3.6. Dashed line :(left) Fit obtained taking the mean value of the five first experimental points,(right) Best fit according to the predicted 1/Oh power law. 3. Two simple models for the drop retraction dynamics We have consequently established the existence of two different regimes for the retraction rate: a viscous one and an inertial one. We now develop some simple arguments allowing for a semi-quantitative description of the dynamics, using ideas already existing for the dynamics of dewetting, a problem closely related to the current one. 3.1. Inertial regime We employ a Taylor-Culick approach commonly used for the inertial dewetting of thin films (Taylor 1959; Culick 1960; Buguin et al. 1999) to describe the drop retraction rate. For high-velocity drop impacts, liquid spreads out into a thin film of thickness h and radius R max . The liquid subsequently dewets rapidly the surface, and in doing so forms a rim that collects the liquid that is initially stored in the film. The shape of the drop surface shape is therefore never in a steady state and consists of a liquid film formed during the spreading stage and a receding rim. The contact angle at the outer side of the rim is taken to be very close to the receding contact angle (θR ) since viscous effects can be neglected small (Buguin et al. 1999). The dynamics is consequently determined by a competition between capillary tension coming from the thin film and the inertia of the rim. If we write down momentum conservation for the liquid rim: ! " d dR(t) m = FC (3.1) dt dt with m the mass of the liquid rim and FC the capillary force acting on it, FC ∼ 2πγR(t) [1 − cos(θR )]. The stationary solution of Eq.3.1 can be obtained writing ṁ(t) = 2πρRV ret h, and gives: V ret 4 3 −2 3 R I R max , it follows that: Drop Retraction upon impact 7 # = γ[1 − cos(θR )]/(ρh). Using volume conservation, h ∼ # V ret ∼ τi−1 π [1 − cos θR )] R max (3.2) Which is the final result. Comparing with the experimental data, it turns out that this equation not only gives the correct scaling behavior for the retraction in this regime rate but also provides a rather accurate estimate of the numerical prefactor (see Fig 4). Indeed, the ratio between the experimental and the predicted numerical prefactors is found to be 0.6 Repeating the experiment for water on a polycarbonate surface, which changes the contact angle value to 60◦ , we retrieve exactly the same ratio of 0.6. 3.2. Viscous regime In the opposite limit of very viscous liquids, the drops adopt pancake shapes upon impact. During the first stages of retraction, the pancake shape rapidly relaxes towards a roughly spherical cap, and the drop shape remains like this during the retraction since the capillary number is small. During the retraction, it is only the contact angle that varies slowly: it is mainly this slow contact angle dynamics that dictates the drop evolution during the retraction. Contrary to the previous analysis, the slow receding velocity allows to assume a quasi-static dynamics for the surface shape during the retraction. In this regime, it is then natural to assume that the work done by the capillary force FC is dissipated through viscous flow near the contact line. Since we focus our study on high-speed impacts, R max is always much larger that RI which justifies a small θ(t) approximation at the onset of retraction. The viscous effects near the contact line then lead to the well-known linear force-velocity relation (DeGennes 1985): ! " 6πη Λ ˙ R(t)R(t) (3.3) FV = − ln θ λ where Λ and λ are respectively a macroscopic and a microscopic cutoff lengths. Λ is typically of the same order as the drop size ∼ 1mm. λ is a microscopic length, and is usually taken to be on the order of λ ∼ 1nm (DeGennes 1985). On the other hand, the capillary force drives the retraction. Near the contact line it can be written: FC = 2πR(t)γ [cos θ(t) − cos θR ] (3.4) Volume conservation gives: 43 πR 3I ∼ π4 θ(t)R3 (t), where we have taken the small angle limit. Eqs. 3.3 and 3.4 together with the volume constraint leads to the following relation for the variation of the contact radius: $ % 1 − 21 θ2 (t) − cos(θR ) θ(t)4/3 −1 Ṙ(t) τv (3.5) =− R(t) (144)1/3 ln(Λ/λ) the above equation is obtained in the small angle limit and is only valid for short time after the onset of retraction. We estimate the retraction rate %̇ as the maximum value of Ṙ(t)/R(t) so that: ! "1/3 V ret (1 − cos θR )5/3 −1 3 ≈ τv (3.6) Rmax 25 5 ln(Λ/λ) Comparing again to the experiments, good agreement is found: the retraction rate is solely set by the viscous relaxation time τv and consequently %̇τi ∝ Oh −1 . Beyond this correct scaling prediction, Eq. 3.6 provides a quite accurate estimate for the numerical prefactor as is shown in Fig 4. Indeed, the ratio between the experimental and the 8 Denis Bartolo, Christophe Josserand and Daniel Bonn Figure 5. (a) Normalized maximum spreading radius plotted vs. the impact number. (b) R max (normalized by the radius before impact) plotted vs. Weber number for small values of the impact number. Full line: power-law fit. (c) R max (normalized by the radius before impact) plotted vs. Reynolds number for large values of the impact number. Full line: predicted power-law dependence with power 0.2. ∗: η = 10−1 P a.s, +: 9.510−2 , ◦: η = 4.810−2 P a.s, ": η = 2.810−2 P a.s, !: η = 10−2 P a.s predicted numerical prefactors is found to be 1.5. Again, repeating the experiment on a polycarbonate surface, this ratio changes only slightly from 1.5 to 1.8. 4. Conclusions and perspectives Our experiments reveal that the retraction rate is independent of the impact speed. To account for the retraction speed, the maximum radius to which the droplet expands, has to be known also. A number of studies have been devoted to the understanding of the maximum spreading radius (see for instance (Fukai et al. 1993; Roisman et al. 2002; Clanet et al. 2004)). However, no clear and unified picture emerges from previous experimental investigations. A recent experimental study of Rmax , combined with recent theoretical ideas in the same spirit of the ones presented here was done by Clanet et al. (2004). They obtain a zeroth order (asymptotic) description of the spreading stage, compare it with experiments and suggest that two asymptotic regimes exist for R max . The first is given by a subtle competition between the inertia of the droplet and the capillary forces; if only these two are important, it follows that R max /RI ∝ We 1/4 . In the second regime, R max is given by a balance between inertia and viscous dissipation in the expanding droplet, leading to R max /R I ∝ Re 1/5 . Consequently, a single dimensionless number is defined that discriminates between the two regimes: P = WeRe −4/5 referred to as the Impact number. The crossover between the two regimes happens at a P of order unity. Our experimental data are in qualitative agreement with their prediction, as is shown in Fig. 5.a. At low P, the scaling Rmax /R I ∼ We 1/4 is clearly observed. However, for impacts corresponding to P > 1, we observe only a very slow variation of the maximum spreading radius as a function of P . Therefore, the relation between R max and the Reynolds number is not very clear from our data (Fig 5. c). Although the main trend is not in strong contradiction with the prediction R max /R I ∝ Re 1/5 , a power-law fit of our data gives exponents that are always smaller than the predicted value of 0.2. Perhaps even more important- in view of the small range of the maximal expansion R max that we cover- is that the different water-glycerol mixtures do not appear to collapse on a single master Drop Retraction upon impact 9 curve, as would be predicted by the above argument. However, since the maximum value of P that we reach is on the order of 10, it may be that we have not reached the purely viscous regime. In that case, the capillary, inertial and viscous forces are still of comparable amplitude and have to be taken into account together. Note also that the more sophisticated models reviewed in Ukiwe & Kwok (2004) do not provide better agreement with our experimental measurements. Despite this small problem, we are now able to develop a simple unified picture for drop impact dynamics accounting for both the spreading and the retraction dynamics. The two natural dimensionless numbers that have been identified are the impact number P, that quantifies the spreading out of the droplet, and the Ohnesorge number Oh that quantifies the retraction. We can thus construct a phase diagram in the experimentally explored (Oh, We) plane, which is shown on Fig. 6. The experimentally accessible plane is divided in four parts, where the main mechanisms at work during the impact process are different. These four parts are separated by the curves Oh = 0.05 and We = Oh −4/3 . They are labeled as follows: ICCI the drop dynamics is given by a competition between inertia and capillarity both for the spreading and the retraction. IVCV: inertia and viscous forces dominate the spreading, capillary and viscous forces dominate the retraction. These two regimes have been studied in detail here. The two more intriguing regions are the IVCI (viscous spreading, inertial retraction) and ICCV (capillary spreading, viscous retraction) that are unfortunately difficult to explore in detail. For the IVCI- regime, the large inertia at impact, combined with a small surface tension, will make the droplets undergo large non-axisymetric deformations and they will eventually splash and disintegrate. On the other end of the phase diagram, the ICCV region corresponds to very low impact speeds and important capillary forces, implying very small deformations of the droplets. If the deformations are small, pinning of the contact line of the droplets will become important, and all our simple scaling arguments for both the maximum radius and the retraction rate are invalidated. A numerical investigation of droplet impact would be very helpful for two reasons. First, numerics would allow to vary R I while keeping all the other physical parameters constant. This would allow to check the robustness of our results, since experimentally it is not easy to vary R I over a wide range. Second, as emphasized above, the viscous regime for the maximum radius is difficult to characterize precisely due to the smallness of the variation of R max for viscous drops. If precise numerical simulations could be done, these different remaining problems could be resolved. In sum, we have studied the retraction dynamics of liquid droplets upon high-speed impact on non-wetting solid surfaces. Perhaps the strongest conclusion from our investigation is that the rate of retraction of the droplet is a drop constant which does not depend on the impact velocity. Two regimes for the retraction rate have been identified: a viscous regime and an inertial regime. We have in addition shown here that simple hydrodynamic arguments can be formulated that give very reasonable agreement with experiments in the two different regimes. Acknowledgments: Benjamin HelnannMoussa is acknowledged for help with the experiments. Denis Bartolo is indebted to the CNRS for providing a post-doctoral fellowship. LPS de l’ENS is UMR 8550 of the CNRS, associated with the universities Paris 6 and Paris 7. REFERENCES Bergeron, V., Bonn, D., Martin, J.-Y. & Vovelle, L. 2000 Controlling droplet deposition with polymer additives. Nature 405, 772–775. 10 Denis Bartolo, Christophe Josserand and Daniel Bonn 1000 We IV-CI IV-CV 100 IC-CV IC-CI 10 0.001 0.01 0.1 1 Oh Figure 6. Phase diagram in the (We, Oh) plane for the impact and retraction dynamics of droplets. The four regions are discussed in the text, and the symbols represent the parameters of the data reported in this paper. Different symbols have been assigned for each region. Buguin, A., Vovelle, L. & Brochard, F. 1999 Shock in inertial dewetting. Phys. Rev. Lett 83, 1183–1186. Clanet, C., Béguin, C., Richard, D. & Quéré, D. 2004 Maximal deformation of an impacting drop. J. Fluid Mech. 517, 199–208. Culick, F. E. C. 1960 Comments on a ruptured soap film. J. Appl. Phys. 31, 1128. DeGennes, P. G. 1985 Wetting: statics and dynamics. Rev. Mod. Phys. 57, 827. Edgerton, H. & Killian, J. 1954 Flash. Charles T. Brandford Company, Boston. Fukai, J., Zhao, Z., Poulikakos, D., Megaridis, C. M. & Miyatake, O. 1993 Modeling of the deformation of a liquid droplet impinging upon a flat surface. Phys. Fluids 5, 2588– 2599. Mundo, C., Sommerfeld, M. & Tropea, C. 1995 Droplet-wall collisions: Experimental studies of the deformation and breakup process. Int. J. Multiphase Flow 21, 151. Okumura, K., Chevy, F., Richard, D., Quéré, D. & Clanet, C. 2003 Water spring: A model for bouncing drop. Europhys. Lett. 62, 237–243. 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PRL 94, 224501 (2005) week ending 10 JUNE 2005 PHYSICAL REVIEW LETTERS Asymptotic Behavior of the Rayleigh-Taylor Instability Laurent Duchemin,1 Christophe Josserand,2 and Paul Clavin3 1 Department of Applied Mathematics and Theoretical Physics, University of Cambridge, Cambridge CB3 0WA, United Kingdom 2 Laboratoire de Modélisation en Mécanique, UPMC-CNRS UMR 7607, 4 place Jussieu, 75252 Paris CEDEX 05, France 3 IRPHE, Universités d’Aix-Marseille I and II-CNRS, 49 rue Joliot-Curie, BP 146, 13384 Marseille CEDEX, France (Received 19 December 2004; published 8 June 2005) We investigate long time numerical simulations of the inviscid Rayleigh-Taylor instability at Atwood number one using a boundary integral method. We are able to attain the asymptotic behavior for the spikes predicted by Clavin and Williams for which we give a simplified demonstration. In particular, we observe that the spike’s curvature evolves as t3 , while the overshoot in acceleration shows good agreement with the suggested 1=t5 law. Moreover, we obtain consistent results for the prefactor coefficients of the asymptotic laws. Eventually we exhibit the self-similar behavior of the interface profile near the spike. DOI: 10.1103/PhysRevLett.94.224501 PACS numbers: 47.20.Ma, 47.11.+j, 47.20.Ky Introduction.—The Rayleigh-Taylor (RT) instability appears when, under gravity, a heavy liquid is placed over a lighter one [1]. This instability is crucial for our understanding of different phenomena in fluid mechanics: mixing, thermal convection ([2], and references therein), and also finger number selection in splashes [3]. It is also important in inertial confinement fusion (ICF) where the mass ablation provides a stabilizing effect to the interface instability [4]. Without ablation, after the exponential growth of the perturbations due to the linear RT instability, nonlinear profiles develop through the formation of bubbles of lighter fluid rising into the heavier one and falling spikes of the heavier liquid penetrating the lighter one. In the general situations of viscous fluids, which are immiscible and/or have Atwood number not equal to unity [AT ! "!h # !l $="!h % !l $, with !h and !l being the density of the heavier and lighter fluids, respectively], famous mushroomlike structures grow for larger times [2,5,6]. The limit of an inviscid fluid above a vacuum (AT ! 1) without surface tension plays a specific role since no stabilizing effects are present in the linear dynamics. It is important to understand ICF in the limit of high density ratio, and it is also the most challenging case for the numerics. Most theoretical and numerical work have focused on this idealized limit in order to track insights into the instability itself [7–12]. It has been shown using a conformal mapping that a finite time singularity might appear in the conformal plane [13], and it is also suspected that for some sufficiently irregular initial conditions finite time singularities should also be observed in the physical plane. However, starting with sufficiently smooth initial conditions, the asymptotic dynamics [8,11,12] presents a constant velocity rising bubble separated by free falling tiny spikes as displayed in Fig. 1. Although the rising bubble motion has been described using local properties of the flow [14], the asymptotic dynamics of the spikes is far from being well understood. The single mode approach gives a fair description of the constant velocity of the rising bubble [vb ! p!!!!!!!!!!!!!! g="3k$, where g is the acceleration of the gravity and k 0031-9007=05=94(22)=224501(4)$23.00 the wave number of the perturbation] but gives only partial results for the spike [8]. The fluid there obeys free fall dynamics to a good approximation, and the pressure field of the flow leads to an overshoot in the acceleration. The accelerated motion of the liquid stretches the spike geometry and one expects self-similar behavior of the tip of the spikes. Recently, an asymptotic theory using a parallel flow description of the velocity field near the spikes has been constructed [15]. The interface dynamics is nonlinear for large time and can be described using the theory of characteristics which gives rise to finite time singularity solutions. In the case of regular dynamics, a self-similar description of the peak is obtained for large time: the maximal curvature of the interface at the peak tip is found to behave as the cubic power of time t3 . Moreover, the −π −2 −1 0 π 0 1 t = 6.5 2π 2 t = 7.5 3 4 3π 5 6 4π 5π 6π −π t = 9.5 0 π0 5 7 8 10 FIG. 1. Snapshots of the interface subject to the RayleighTaylor instability for time ranging from t ! 0 to 10, starting with a small amplitude sine mode (left). On the right is shown the velocity of several points along the interface, nondimensionp!!!!!!!!!!! alized with the stationary bubble rising velocity g=3k, as a function of time. 224501-1 2005 The American Physical Society PRL 94, 224501 (2005) spike position, following the free fall 12 gt2 at leading order, is shown to converge to the constant acceleration g with an overshoot in acceleration decreasing as t#5 . In this Letter, we present a numerical study of the Rayleigh-Taylor instability which focuses on the large time dynamics of the spikes in order to investigate the self-similar dynamics predicted in [15], where no numerical studies were performed. We consider the dynamics for an inviscid liquid (heavy) with an exterior fluid of zero density (At ! 1) and no surface tension. The numerics use a boundary integral method. Because of strong numerical instabilities, a careful treatment of the interface using conformal mapping is needed as explained below. The results are then shown and compared with the theory. Asymptotic analysis and numerical method.—We consider the two-dimensional motion of an inviscid fluid above a vacuum, subject to a negative acceleration #g. A periodic sine perturbation of the interface of wave number k is implemented as initial conditions. Neglecting surface tension, the equations of motion have no control parameter after rescaling the time, the position, p!!!!!!!!!! and the p!!!!!! velocity potential ’ by factors gk, k, and k3 =g, respectively. The interface is described by y ! ""x; t$, where y is the direction along the gravity and x orthogonal to it (see Fig. 2). The velocity field U ! "u; v$ satisfies the dimensionless Euler equation dU ! #rP % ey ; dt where P"x; y; t$ is the pressure, ey the nondimensional acceleration due to gravity, and the fluid density ! ! 1. The kinetic equation for the interface reads @""x; t$ @""x; t$ ! v; %u @x @t with the velocity field "u; v$ evaluated at the interface &x; ""x; t$'. Starting at time t ! 0 with a small sine amplitude interface, we observe for large time that the fluid particles located in the vicinity of the tiny spikes come from an almost free fall from the initial interface region. Therefore, following [15], we assume quasiparallel steady flow for the velocitypfield !!!!! which gives then in the tip region juj ( jvj and v ) 2y with y ) 12 t2 for large time. Writing a perturbation expansion of the velocity field in the tip Ω x week ending 10 JUNE 2005 PHYSICAL REVIEW LETTERS f (z ) = e− iz M ζ = f (z ) y FIG. 2. Conformal map used to transform the physical periodic plane ! into a closed domain M. p!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! region jxj ( y, we in fact consider v ! 2&y % f"x; y; t$', with f"x; y; t$ ( y. Taking a Taylor expansion in x of the p!!!!! 0 "y;t$ !!!! % perturbation f, we obtain by symmetry v ! 2y % fp 2y x2 fp 2 "y;t$ !!!! % O"x4 $. We limit 2 2y our expansion to the second order in x for the velocity field ! later on. Incompressibility gives q!!!! @"f "y;t$=p!!! 2y$ 0 1 u ! #" 2y % $x % O"x3 $. At the leading order @y [where we neglect even the perturbation f"x; y; t$], we obtain the following expression for the interface location: x @""x; t$ p!!!!!!!!!!!!!!!! @""x; t$ ! 2""x; t$; # p!!!!!!!!!!!!!!!! @t 2""x; t$ @x which can be solved using the methods of characteristics (see [15]). Writing ""x; t$ ! t&2t # #"x; t$' and noting that #"x; t$ ( t=2 in the spike region, we obtain, after linearization, @#"x; t$ x @#"x; t$ ! 0; # t @x @t which has the self-similar solution of the form #"x; t$ ! $"xt$. A first conclusion can be drawn about the curvature of the interface at the tip, % ! #@2 "=@x2 jx!0 , which is thus found to increase as the cubic power of time [16]: % ! t3 $00 "0$: (1) 1 df "y ; t$ 2 d2 ys p!!!!!!! 0 s ! 1 % 5 00 ; ! 1 % dt 2ys t $ "0$ dt2 (2) The next order terms of the expansion allow the determination of the function f0 "y; t$ near the tip. Using the constant value of the pressure at the interface, we use the projection of the Euler equation at the interface on its lo@""x;t$ dv @""x;t$ cal tangent: du dt % @x dt ! @x , since on the interface dP!x; ""x; t$; t"=dx ! 0. We develop this equation at first nonzero order (which will end up the first order in x) with the expansion $"xt$ ! $"0$ % x2 t2 $00 "0$=2 % O"x4 $. Remembering that jfj (py, also the large !!!!!we can neglect p!!!!! 2 !f "y; t$= 2y"=@t@y and scale terms @ 2y @2 !f0 "y; t$= 0 p!!!!! 2 2y"=@y with respect to the others. We finally obtain p!!!!!!! "ys ;t$ "ys ;t$ for the tip position y ! ys : @f0@t % 2ys @f0@y ! q!!!! df0 "ys ;t$ ! y2s %1 . dt p!!!!!!! f0 "ys ;t$ s p!!!!! , we obtain, for the tip Recalling that dy dt ! 2ys % 2ys acceleration at leading order, which corresponds to an overshoot in the spike acceleration decreasing as the fifth power of time. An overshoot in the acceleration was observed in numerical simulation already in [17], but with no explicit scaling laws. The numerical method is elaborated using the incompressible and potential properties of the flow. The velocity field can thus be evaluated everywhere when the velocity potential is known on the interface thanks to Cauchy’s theorem, in the spirit of other pioneering works [17–20]. The nondimensional Bernoulli equation on the free surface 224501-2 week ending 10 JUNE 2005 PHYSICAL REVIEW LETTERS PRL 94, 224501 (2005) 20 reads 100 1 @’ ! # "r’$2 % y; 2 @t (3) 10 "’ ! 0: spike position y where the velocity potential ’ is a harmonic function in the fluid domain !: (4) 1 10 0.1 The kinematic condition on the free surface expresses the fact that fluid particles move with the same normal velocity as the free surface itself: 0 (5) Knowing ’ on the free surface at a given time step, we search for the solution of Eq. (4) that satisfies this boundary condition (5). We use the complex potential &"z$ ! ’ % i and the conformal map f"z$ ! exp"#iz$ (cf. Fig. 2), where z ! x % iy and is the stream function. The conformal map transforms the periodic domain ! into the closed domain M. Since is harmonic inside !, &"z$ is analytic inside ! and therefore #"'$ ! &!f"z$" is analytic inside M. Using Cauchy’s theorem, we obtain a Fredholm equation of the second kind for the stream function , which is solved using discretization of the free surface (@! and thus @M). This linear system of equations is solved using a LU decomposition. Once we know on each point on @M, the complex velocity of each marker in the physical plane is given by d& ! u # iv; dz (6) where u and v are the horizontal and vertical velocities, respectively. This complex velocity is computed with a finite difference scheme using the values of the complex potential on the collocation points on @!. The position of the surface markers (kinematic condition) and the value of the velocity potential on each of these markers (Bernoulli equation) are then updated in time using a fourth order Runge-Kutta method. Finally, an adaptive mesh refinement technique is used in order to concentrate markers on the spike. Results and discussions.—We have performed numerical simulations of the Rayleigh-Taylor instability using the numerical method described above. We start with a sinemode deformation of the interface of amplitude a ( 1. The unavoidable numerical noise cannot be damped by the numerics and the calculations always end up subject to numerical instabilities. Nevertheless, we emphasize that the numerical scheme used here is remarkably robust and can be accurately evolved to reach the large time where the scalings predicted by the theory [15] are valid. Comparing our simulations with recent numerical works [5,6,9], we have been able to run the dynamics at least twice as far, which corresponds roughly to an increase of a factor of 8 in the tip’s curvature. 0 5 time 10 FIG. 3. Position of the spike ys "t$ as a function of time. The inset shows in a log-log plot of the spike position (solid curve) as function of time t # t0 , with t0 ! 3:74 obtained by a second order polynomial fit of ys . The dashed line shows the expected behavior 12 t2 . The position of the spike is shown on Fig. 3 as function of time. We observe that the asymptotic dynamics are very well approximated by the relation ys ! 12 g"t # t0 $2 , as shown in the inset of the figure with t0 ! 3:74 for the amplitude of the initial perturbation a ! 0:01. This remarkable behavior, in good agreement with the free fall hypothesis, suggests that t0 is the time delay accounting for the initial exponential development of the instability. Indeed, the linear growth rate of the perturbation is precisely one, and, varying a, we observe that the time delay correspond to aet0 ! 0:42, which corresponds in the numerical simulation to a constant amplitude of the spike of 0.22 to be compared to 0.21 obtained with the linear instability only. The time and amplitude correspond thus roughly to the transition between the linear and the nonlinear regime. We will therefore present further data on the curvature dependence and the acceleration of the tip as functions of this delayed time t # t0 instead of t. 10000 spike curvature dx * n ! r’ * n: dt t−t0 100 1 0.01 0.01 0.1 1 10 t−t0 FIG. 4. Spike curvature %s calculated at the tip y ! ys as function of the delayed time t # t0 in a log-log plot. The dashed line displays the cubic law (1) with $00 "0$ ! 1:5. 224501-3 PHYSICAL REVIEW LETTERS PRL 94, 224501 (2005) 10 0 −1 acceleration overshoot 10 −2 10 −3 10 −4 10 −5 10 1 10 t−t0 FIG. 5. Overshoot in acceleration, defined as the difference between the tip acceleration and the gravity. The plot is in loglog scale and with the delayed time t # t0 . The dashed line shows the theoretical prediction (2) using the value of $00 "0$ obtained from Fig. 4. The curvature %s at the tip is then shown in Fig. 4. The large time asymptotic behavior is similarly found to follow the cubic law [see Eq. (1)] with $00 "0$ ! 1:5. We have not been able to deduce analytically this value of the selfsimilar curvature $00 "0$ ! 1:5 using the characteristic dynamics, which is valid for large times only. In addition, the acceleration of the tip is computed by finite differences on the tip velocity and the overshoot in the acceleration is presented on Fig. 5. We observe that the results look noisier than the two previous ones. Two factors can explain such noise: first, we are looking to a finite difference which decreases to zero so that the numerical errors are relatively more important. However, we note that the overshoot in acceleration shows good agreement with the 1=t5 law, noting that no adjustable parameter is used in FIG. 6. Self-similar structure of the tip: the interface profiles around the spike have been superimposed on the right side of the figure for different time t ranging from 4 to 12. The left side of the figure shows the same curves rescaled by factor 1="t # t0 $ and "t # t0 $ for the x and y coordinates, respectively, following the scaling behavior predicted by the theory. week ending 10 JUNE 2005 this comparison. Finally, the self-similar structure of the interface near the tip has been exhibited on Fig. 6. We observe after the proper rescaling on the left part of the figure that the interface profiles collapse onto a single curve near the spike. We have thus exhibited large times numerical simulations of the Rayleigh-Taylor instability which present asymptotic scaling behavior in agreement with theoretical predictions using Taylor expansions of the free fall velocity field at the spike [15]. Although our numerics always stops due to numerical instability, we have been able to reach large time enough to exhibit the cubic power in time dependence for the spike curvature and the inverse of the quintinc power of time decreasing of the overshoot in acceleration. Moreover, the numerical methods used here and the analytical description of the flow in the vicinity of the spike offer a powerful tool to investigate RayleighTaylor and Richtmyer-Meshkov instabilities for any density ratio. It is our pleasure to thank J. Ashmore for useful comments. We acknowledge also the support of CEA through Contract No. CEA/DIF N 4600051147/P6H29. [1] Lord Rayleigh, Scientific Papers II (Cambridge University Press, Cambridge, UK, 1900), p. 200. [2] B. Castaing, G. Gunaratne, F. Heslot, L. Kadanoff, A. Libchaber, S. Thomae, X. Wu, S. Zaleski, and G. Zanetti, J. Fluid Mech. 204, 1 (1989). [3] D. Gueyffier and S. Zaleski, C.R. Acad. Sci. Paris, Ser. IIb 326, 839 (1998). [4] J. Sanz, J. Ramirez, R. Ramis, R. Betti, and R. P. J. Town, Phys. Rev. Lett. 89, 195002 (2002). [5] S.-I. Sohn, Phys. Rev. E 67, 026301 (2003). [6] S.-I. Sohn, Phys. Rev. E 69, 036703 (2004). [7] D. Layzer, Astrophys. J. 122, 1 (1955). [8] Q. Zhang, Phys. Rev. Lett. 81, 3391 (1998). [9] G. 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Comput. Phys. 51, 28 (1983). 224501-4 PHYSICS OF FLUIDS VOLUME 14, NUMBER 9 SEPTEMBER 2002 Jet formation in bubbles bursting at a free surface Laurent Duchemin, Stéphane Popinet, Christophe Josserand, and Stéphane Zaleskia) Laboratoire de Modélisation en Mécanique, CNRS and Université Pierre et Marie Curie (Paris VI), 8 rue du Capitaine Scott, 75015 Paris, France !Received 6 June 2001; accepted 24 May 2002; published 2 August 2002" We study numerically bubbles bursting at a free surface and the subsequent jet formation. The Navier–Stokes equations with a free surface and surface tension are solved using a marker-chain approach. Differentiation and boundary conditions near the free surface are satisfied using least-squares methods. Initial conditions involve a bubble connected to the outside atmosphere by a preexisting opening in a thin liquid layer. The evolution of the bubble is studied as a function of bubble radius. A jet forms with or without the formation of a tiny air bubble at the base of the jet. The radius of the droplet formed at the tip of the jet is found to be about one tenth of the initial bubble radius. A series of critical radii exist, for which a transition from a dynamics with or without bubbles exist. For some parameter values, the jet formation is close to a singular flow, with a conical cavity shape and a large curvature or cusp at the bottom. This is compared to similar singularities investigated in other contexts such as Faraday waves. © 2002 American Institute of Physics. #DOI: 10.1063/1.1494072$ I. INTRODUCTION meter. Depending on their mass and initial velocity, the droplets will either fall back into water or evaporate. The topic of this paper is the investigation of the bubble evolution after the initial film rupturing, including the jet formation. A numerical method solving the Navier–Stokes equations and describing the free surface with high precision is used. Previous numerical studies of these phenomena have been made postulating mostly inviscid fluids; however, a modified boundary element method taking into account small viscous effects was also used.2– 4 A Navier–Stokes simulation was shown in Ref. 5, with a VOF-type method in a regime where the bubble is very deformed. In most previous studies the effect of film atomization on jet birth was assumed to be negligible. Few comparisons were made with experimental data. Some experimental studies were also conducted to measure quantities such as jet velocity,6 – 8 size of the first ejected droplet, height at which the droplet detaches from the jet, or height reached by the droplet. These experiments are fairly difficult to conduct, because of surface contamination which modifies significantly the free-surface boundary condition and the surface tension coefficient. As our numerical results will demonstrate, the jet formation is in many cases singular and self-similar. Singular jets forming at a free surface have already been observed and studied in different contexts. Indeed, in the bubble-bursting problem as well as in several other free-surface flows, one observes the formation of a conical cavity, with a very high curvature or cusp at its base. In some cases a small bubble is trapped at the bottom of the cavity. A thin narrow jet subsequently forms in a self-similar manner. This phenomenon was observed experimentally in Faraday waves by Longuet-Higgins9 and Lathrop,10 in the development of the jet inside a bubble containing a sink flow in the numerical Bubbles bursting at the water surface are a familiar everyday occurrence. They also take part in important processes of transport and exchange across liquid/gas interfaces, caused by the ejection of jets and various kinds of small droplets. These are involved in the transfer of heat, mass and various contaminants between the oceans and the atmosphere.1 Indeed, breaking waves cause the formation of a large number of bubbles beneath the water level. The efficiency of the resulting mass transfer, including the transfer of CO2 depends on the initial properties of the ejected droplets !size, initial velocity". The phenomena producing aerosols during the bursting of a bubble are of two kinds: the first is the rupture of the film separating the bubble from the atmosphere. This film atomization can produce several hundred droplets of around a micrometer in diameter which probably represent a large fraction of the transfers.1 Since the scales involved during this rupture are of the order of 100 nm, a physical description is outside the scope of continuum fluid mechanics. Indeed, long-range molecular forces such as van der Waals forces or electrostatic repulsion must be taken into account.2 The small cavity remaining after the film rupture collapses under the effect of both surface-tension and buoyancy. This collapse gives birth to a narrow vertical jet which eventually breaks into one or several droplets !see Fig. 1". This phenomenon constitutes the second aerosol production process and is the principal topic of this paper. These aerosols are of a different kind: they are ejected vertically—which is not the case for film aerosols—and their diameter is about one tenth of the size of the initial cavity, i.e., about 100 %m for a typical bubble radius of one millia" Electronic mail: zaleski@lmm.jussieu.fr 1070-6631/2002/14(9)/3000/9/$19.00 3000 © 2002 American Institute of Physics Downloaded 14 Aug 2002 to 134.157.34.8. Redistribution subject to AIP license or copyright, see http://ojps.aip.org/phf/phfcr.jsp Phys. Fluids, Vol. 14, No. 9, September 2002 Jet formation in bubbles 3001 !(+t2/,)1/3 where + is the surface tension and , the density. Then the similarity variable is - !x/r c and the flow velocity diverges like t "1/3 near the singularity for a fixed value of the similarity variable -. This idea is at the basis of 2/3 exponents found for instance by Miksis and Keller.16 This type of scaling, was applied by Zeff et al.10 to observations of jet formation in Faraday waves. The leading order term for the velocity potential is of the form &!C ! t"t 0 ! 1/3r 1/2P 1/2! cos ' " , FIG. 1. Jet produced by the collapse of a spherical cavity. The end droplet will eventually detach due to the Savart–Plateau–Rayleigh instability. study of Ref. 11. For bursting bubbles the conical cavity may be seen in the experiments and simulations but the singular character of the jet formation has not been investigated to our knowledge. The phenomenon may also be seen in the cavity formed by falling raindrops.12–15 The evolution of the conical cavity has been studied by Longuet-Higgins13 as a special case of a family of hyperbolic surfaces: conical surfaces were shown to be a special case of the hyperbolic surfaces of Ref. 9. These conical surfaces are preserved by the velocity potential 2 &!A ! t " r P 2 ! cos ' " , !1" where r is the spherical radial distance, P 2 the Legendre polynom of second degree and ' the polar angle measured from the north pole, which yields the velocity field ( ) !A ! t "! "x,"y,2z " , !2" where A(t) is an arbitrary function. Indeed any conical free surface in this flow remains conical. For positive A the cavity opens in time as in the experiment. Of course the actual flow is not exactly conical. The bottom of the cone is rounded, and oscillates in shape as capillary waves converge towards the bottom of the conical surface. At some instant in time the bottom may develop a cusp, followed by jet formation. This process is obviously singular at least for some values of the parameters, but there is no agreement among the above cited publications on the exact nature of the singularity. Indeed one may inquire into the specific scaling form of the singularity. The Euler equations without surface tension and gravity will in principle admit self-similar solutions of the form & ! x,t " ! ! t"t 0 ! * ! x! t"t 0 ! m "n ", !3" where * is an arbitrary scaling function and t 0 is the singularity time. The solution may be valid before and/or after the singularity time. The exponents should satisfy m!2n"1. Indeed with this condition all the terms in the Bernoulli equation balance. However, when surface tension is added, the only way to form a self-similar solution that balances inertia and surface tension is by selecting n!2/3. This is because the only length scale that can be built is r c !4" where P 1/2 is the Legendre function of order 1/2. However, a series of alternate theories for singular freesurface flows and in particular the conical cavity and jet formation was proposed by Longuet-Higgins. He has shown that the type of flow described by Eq. !2" had a divergent velocity with A(t). ! t"t 0 ! "1/3 thus a t "1/3 divergence for a fixed value of the real !unscaled" distance r.13 In this solution the scaling is not fixed by a balance with surface tension. Instead, surface tension is added as a perturbation to the conical solution, in the form of a sink flow.13 The LonguetHiggins solution yields an angle for the conical cavity of 2'!109°5, in good agreement with the numerical observations of Ref. 12. Another self-similar solution for jet formation was found numerically by Ref. 11 obtaining yet another scaling, for the case of jet formation inside a bubble. The potential is then approximated by &!A ! t " r 1/4P 1/4! cos ' " , !5" where P 1/4 is the Legendre function of order 1/4. This paper is organized as follows. We first describe the general context of this study, the nondimensional numbers controlling the problem and the scaling laws deduced from dimensional analysis. We then briefly introduce the numerical method we use and its main advantages. A first comparison with experimental profiles is presented. Finally, a detailed parametric study is conducted using a simple initial shape for the cavity and neglecting gravity. We measure the volume of the first ejected droplet, the velocity of the jet and the maximum pressure encountered on the axis of symmetry and discuss the results. In some circumstances, a tiny bubble is formed at the base of the jet. The self-similar flow occurring when the conical cavity and the cusp form is investigated. II. INITIAL CONDITIONS AND EXPECTED SCALING LAWS Given the small size of the bubbles we are interested in !diameter is around one millimeter", some assumptions can be made regarding the parameters governing jet birth. The first idea is to suppose that the cavity is motionless at the initial time. Experiments have shown that, even in the absence of surfactants, the bubble can stay at the free surface in a quasistatic equilibrium for a few seconds.17 The bubble is then separated from the atmosphere by a thin liquid film, the cavity being subject to surface tension and buoyancy forces. A model for this static configuration is a more or less deformed bubble adjacent over part of its surface to a film of Downloaded 14 Aug 2002 to 134.157.34.8. Redistribution subject to AIP license or copyright, see http://ojps.aip.org/phf/phfcr.jsp 3002 Duchemin et al. Phys. Fluids, Vol. 14, No. 9, September 2002 Ohnesorge number Z! ,/ 2 / + R governs the phenomenon and dimensional analysis gives velocity in the form V ! " # ,R ,/ 2 !F , + +R !6" where F is an unknown function. Whenever R / #R#R c , we also expect that viscosity plays no role. The only way to eliminate viscosity is to suppose that the function F has a finite, nonzero limit C when / goes to zero. The nondimensional velocity of the jet then behaves like " # V R $C V/ R/ "1/2 , !7" where V / ! + / ,/ . Similar arguments lead to a scaling law for the nondimensional pressure of the form " # R P .C ! P/ R/ FIG. 2. The initial configuration in the ‘‘large rim’’ case. The grid is a 5122 Cartesian grid. "1 , !8" where P / ! + 2 / ,/ 2 . III. NUMERICAL METHOD negligible thickness. This configuration may be computed, or obtained from the experimental data as in the case reported in Ref. 8. When the film reaches a critical thickness !about 100 nm" after draining slowly, it breaks more or less rapidly !depending on the presence of surface contaminants". It is then possible to run simulations by taking the current, static configuration and removing the thin film. While we do this in one case, the drawback is that a sharp corner exists at the rim of the neck or juncture between the film and the bulk liquid. The small length scales involved may create numerical convergence problems. Moreover, as we show below, small length scales are generated independently of initial conditions by the steepening of capillary waves and jet formation. Keeping the small length scales in the initial conditions makes it more difficult to observe the intrinsically generated small scales. We thus decided to drastically smooth the rim of the neck. In most calculations, the initial shape was defined as follows. A spherical cavity is separated from the atmosphere by a circular hole, the border of the hole being a circular rim !see Fig. 2". The collapse behavior depends only on four physical parameters: the kinematic viscosity /, +, , and the acceleration due to gravity g. Out of the four physical parameters only two length scales can be defined, the capillary length R c !( + / , g) 1/2 and the viscous-capillary length R / ! ,/ 2 / + . In pure water R c !2.7 mm and R / !0.014 % m, respectively. If the radius of the bubble R#R c , capillary effects are predominant compared with the gravity effects; if R$R / , viscous effects are expected to be negligible compared to the capillary ones. For R / #R#R c the phenomenon is dominated by surface tension and inertia. We also decided to neglect the effect of gravity which is a correct approximation for R#R c . Therefore, only the The choice of the numerical method is conditioned by the terms we need to solve accurately. In our problem, the first term of interest is surface tension: being the main driving force in the parameter range we consider, it is important to model it correctly. Given the large density ratio between water and air we can moreover assume that the influence of the gas phase is negligible. According to these two assumptions, we used a numerical method which solves the full axisymmetric Navier– Stokes equations in a fluid bounded by a free surface while allowing an accurate description of the interfacial terms such as surface tension. This method has been documented elsewhere18,19 and has been shown to produce accurate qualitative and quantitative results when compared with both theoretical and experimental data. In short, a regular Cartesian fixed grid is used. Massless particles !markers" advected by the flow define the position of the interface. Linked by cubic splines, they describe accurately the geometry of the free surface. For cells which are not cut by the free surface, a classical finite-volume scheme is applied. For the cells in the vicinity of the interface, finite differences cannot be computed since velocities are not defined in the ‘‘gas’’ phase. Therefore, an extrapolation of the velocity field near the free surface on the other side is necessary. This extrapolation must take into account the boundary conditions on the free surface !in particularly the nullity of the tangential stress". This is done by using a least-meansquare procedure constrained by the condition of vanishing tangential stress. Comparisons with theoretical results show that this approach gives an accurate description of the viscous dissipative terms associated with the boundary conditions. The pressure on the boundary is obtained as follows. The local curvature is estimated from the spline reconstruction. The local normal viscous stress is estimated from the above Downloaded 14 Aug 2002 to 134.157.34.8. Redistribution subject to AIP license or copyright, see http://ojps.aip.org/phf/phfcr.jsp Phys. Fluids, Vol. 14, No. 9, September 2002 Jet formation in bubbles 3003 FIG. 3. Time sequence of the jet formation in a 2.57 %l bubble bursting at a free surface. Top, experimental !Ref. 8" and bottom, computational results. Profiles are 1/6000 s apart. least-squares procedure. Then the pressure is obtained from the normal-stress boundary condition. The pressure on the boundary serves as a boundary condition for the Poisson equation for the pressure. This equation is in turn solved using a multigrid algorithm. Most computations have been made on a 5122 grid, except the comparison with the experimental profiles from MacIntyre, which has been made on a 10242 grid and some selected computations which were refined to 10242 grids. IV. COMPARISON OF THE NUMERICAL RESULTS WITH EXPERIMENTAL PROFILES We have first initialized the calculation with a realistic shape, and taken into account all the physical parameters, i.e., capillarity, viscosity and gravity. The goal was to compare the results with a series of shapes published by MacIntyre.8 The initial shape of the free surface has been obtained from a numerical calculation based on the works of Toba.20 Figure 3 illustrates the experimental and the computational results. The numerical parameters are / !10"6 m2 /s, +!0.072 kg/s2, ,!1000 kg/m3 and the volume of the bubble is the same as the one given by MacIntyre: 2.57 %l. The computational time is about one day on the 10242 grid. The overall agreement is very satisfactory. In particular capillary waves are well described, in contrast to the earlier published results using boundary integral methods.2,3 We believe that this lack of capillary waves is due to the strong smoothing needed to avoid numerical instabilities in boundary integral techniques !and probably also to an insufficient spatial resolution, which is also limited by numerical stability". In our method, real, molecular viscosity is present and the fine grid we use allows in principle to solve the small spatial scales of the capillary waves. The time interval between images is the same as the one given by MacIntyre, i.e., 1/6000 s. A difference in time between profiles can be seen, even if the shape is very similar. A possible explanation is the presence of surface contaminants in the MacIntyre experiment. These contaminants could change the surface tension, even modify its value locally, therefore changing the behavior of the free surface through generation of Marangoni currents. They could also make the interface partially or entirely rigid, changing the free-surface boundary condition. Solving the full Navier–Stokes equations, we have ac- Downloaded 14 Aug 2002 to 134.157.34.8. Redistribution subject to AIP license or copyright, see http://ojps.aip.org/phf/phfcr.jsp 3004 Phys. Fluids, Vol. 14, No. 9, September 2002 FIG. 4. Vorticity isolines during the collapse of the bubble for the same conditions as in Fig. 3 at time t!1.12 ms. The maximum vorticity isoline value is 4.80 s"1 and the level difference between the isolines is about 1.07 s"1. cess to vorticity which can, as we will see later, have an important effect even on very small structures in a low viscosity fluid such as water. Figure 4 shows the vorticity isolines during the collapse of the cavity. The vorticity is confined to a thin boundary layer before the jet birth. Later on however !see Figs. 5–7", a vorticity cone is entrained below the jet and the shear stress there is comparable to that in the narrow jet. This detachment of vorticity illustrates the formation of a downward jet, already observed by Boulton–Stone and Blake with their modified boundary integral method.2,3 V. RESULTS OF THE PARAMETRIC STUDY A set of computations have been made for radii between 10"6 m and 10"2 m (102 %R/R / %106 ) with the initial shape described above. The evolution of the profiles is very similar to that shown on Fig. 3. A conical cavity forms with a train of capillary waves converging to the axis. The number of capillary waves depends strongly on the Ohnesorge number: the higher this number, the higher the number of capillary waves converging to the base of the cavity. Figure 8 shows a largeradius case with a large number of waves !see also Fig. 11". In some cases, especially near R/R / !103 the jet became FIG. 5. Vorticity isolines during the collapse of the bubble for the same conditions as in Fig. 3 at time t!1.24 ms. The maximum vorticity isoline value is 4.80 s"1 and the level difference between the isolines is about 1.07 s"1. Duchemin et al. FIG. 6. Vorticity isolines during the collapse of the bubble for the same conditions as in Fig. 3 at time t!1.4 ms. The maximum vorticity isoline value is 4.80 s"1 and the level difference between the isolines is about 1.07 s"1. very thin !Fig. 9" and the local radius of curvature smaller than the grid size. The calculation then becomes inaccurate and has to be stopped. For some parameter values we observe a tendency to trap a bubble on the axis of symmetry just before the formation of the jet. We have searched systematically for bubble entrapment. There are two competing changes of shape: the jet formation is heralded by a change of curvature at the base of the cavity, while the bubble pinching is preceded by the formation of an overhang in the interface, i.e., the height h(r) of the interface becomes multivalued. Thus our criterion for incipient bubble formation is as follows: !a" The height h(r) becomes steep, then multivalued, and !b" the curvature at the base remains positive. This is only an indication that a bubble will be trapped before the jet forms as shown in Fig. 10, but we need such a crude criterion because the bubbles are very small for the kinds of grids we have. We found a first bubble entrapment region for 576%R/R / %2016, the second one between 57600%R/R / %288 000. Other such regions at higher values of R/R / are likely, but difficult to observe numerically. One indication is the existence of large trains of capillary waves at large R/R / as shown on Fig. 11. The topology of the interface changes when a bubble is trapped. This pinching is a singular event akin to the pinching of a gas cylinder by the Savart–Plateau–Rayleigh instability. We shall call it a pinching singularity to distinguish it FIG. 7. Vorticity isolines during the collapse of the bubble for the same conditions as in Fig. 3 at time t!1.56 ms. The maximum vorticity isoline value is 4.80 s"1 and the level difference between the isolines is about 1.07 s"1. Downloaded 14 Aug 2002 to 134.157.34.8. Redistribution subject to AIP license or copyright, see http://ojps.aip.org/phf/phfcr.jsp Phys. Fluids, Vol. 14, No. 9, September 2002 FIG. 8. Capillary waves for R/R / !144 000. The times of the successive profiles are, respectively, t!0.137, 0.859, 1.858, 2.752, 3.449, 3.983, 4.387, 4.689, 4.832 ms. from other free surface singularities. To pursue the calculation numerically beyond a pinching singularity, one should in principle perform surgery on the marker chain and continue the simulation. This is however difficult because the problem slightly changes in nature: the pressure inside the small trapped bubble cannot be set to atmospheric pressure but should in principle depend on the bubble volume through some equation of state. This changes markedly the nature of the calculation. Moreover the trapped bubbles are extremely FIG. 9. The initial phase of jet formation as seen in two simulations. For the large bubble !dashed line, R/R / !144 000" the jet is relatively wide and well resolved numerically. For smaller bubbles !solid line, R/R / !720" the jet may become extremely thin. Jet formation in bubbles 3005 FIG. 10. Beginning of the entrapment of a bubble by the collapsing cavity, for R/R / !105 !1.4 mm bubble". small and very difficult to resolve without mesh adaptation. Thus in most cases we continued the simulation without marker surgery. When the trapped bubble is very small, the marker chain reorganizes itself spontaneously and the calculation proceeds. In some cases, as in the rightmost bubble entrapment region, it seems that the effect on the dynamics is small. In other cases, as in the leftmost entrapment region, FIG. 11. The velocity of the interface on the axis for R/R / !2.88&105 . The oscillations correspond to the arrival of a train of capillary waves. For this large value of R/R / capillary waves are numerous and of short wavelength. The very large excursion in velocity may be due to the existence of a further bubble entrapment region, however the very small scales involved make numerical resolution difficult. Downloaded 14 Aug 2002 to 134.157.34.8. Redistribution subject to AIP license or copyright, see http://ojps.aip.org/phf/phfcr.jsp 3006 Duchemin et al. Phys. Fluids, Vol. 14, No. 9, September 2002 FIG. 12. Non-dimensional jet velocity as a function of the nondimensional bubble radius. The two regions between vertical straight lines correspond to the radii for which a bubble is trapped at the base of the jet. FIG. 13. Maximum pressure on the axis of symmetry when the jet reaches the mean water level. As in the previous figure the bubble entrapment regions are marked. B. Maximum pressure on the axis of symmetry the calculation has to be stopped or provides unreliable results which were removed from the quantitative analyses below. We have redone all the calculations for a different initial condition. The overall configuration is the same as on Fig. 2 but the rim thickness is halved. All the above qualitative results are identical. In particular, we do not observe any steepening of the capillary waves or thinner jets as we reduce the rim size. This is a clear indication that the small length scales we observe form spontaneously, independently of initial conditions. We have computed the maximum pressure on the axis of symmetry when the jet reaches the mean water level. Figure 13 shows this pressure and a fit in (R/R / ) "1 . Once more, the numerical result is in good agreement with the scaling law for radii between 2&104 and 106 times the viscous-capillary length. We also remark a small jitter about the straight line on the right-hand side of the curve, perhaps as a result of the singular behavior in the bubble entrapment region. Note again that in the left-hand side of the curve we could not reliably calculate pressure. A. Jet velocity C. Radius of the first ejected drop A first quantity of interest is the velocity of the jet, or the ejection speed of the first drop. Figure 12 shows the nondimensional velocity of the jet, measured when the top of the jet reaches the mean water level. Circle symbols correspond to the larger rim thickness as on Fig. 2 while triangle symbols correspond to thinner rims. Apart from a vertical shift, the measured velocities are very similar. This shift may in part be explained by the fact that we measure the jet velocity at the mean water level for both cases, which is at a different distance from the base of the two cavities. For a large range of radii !between 2&104 and 106 times the viscous-capillary length R / ", the numerical results are in good agreement with the inviscid scaling. For small radii the velocity starts decreasing as R decreases. For the smallest radii we have investigated the cavity relaxes to a flat surface shape without jet formation. The regions where bubbles form at the base of the jet are indicated as vertical lines in Fig. 12. In the leftmost region, around R/R / !103 , for the reasons discussed above, there is a gap in data points. It is thus possible that much higher jet velocities may be reached in that region. Experimental data obtained by Spiel et al.7 tend to show that the radius of the first ejected drop is about one-tenth the radius of the initial bubble. We have obtained this radius from the numerical simulations as follows. The computation stops when the jet thickness reaches the size of one computational cell. The jet rupture will occur soon thereafter. The volume enclosed by the free-surface between this point of minimum thickness and the tip of the jet is then a good approximation of the volume of the ejected droplet. The equivalent radius R d is defined as the radius of a spherical droplet with the same volume. Figure 14 shows R d /R. For large R/R / we obtain a linear trend R d 00.13R which is consistent with the experimentally observed value of R/10. This linear behavior is consistent with the viscosity-independent regime of Eqs. !7" and !8" in which the only length scale is R. On the other hand, there is a large fraction of the data where this regime does not hold and the ejected drop radius is much smaller than R/10. Notice again the gap in values around R/R / !103 . There the jet was too thin to be well-resolved numerically, and the actual droplet size may be much smaller. Varying the Downloaded 14 Aug 2002 to 134.157.34.8. Redistribution subject to AIP license or copyright, see http://ojps.aip.org/phf/phfcr.jsp Phys. Fluids, Vol. 14, No. 9, September 2002 Jet formation in bubbles FIG. 14. Ratio of the radius of the first ejected drop and the radius of the initial bubble as a function of R/R / . initial condition has little effect, except at small radii where the thinner rim leads to a larger droplet. VI. SINGULAR JET FORMATION BY CURVATURE REVERSAL The formation of a thin, high-velocity jet in and around the first bubble entrapment region leads to suspect the existence of a singularity. The scaling !3" yields h ! u,t " ! ! t 0 "t " 2/3 f ! u ! t 0 "t " "2/3" , 3007 FIG. 15. Comparison between successive profiles made non-dimensional using the scaling - !x/(t 0 "t) 2/3 described in the text. Left, unrescaled profiles. Right, rescaled profiles. There the opening angle of the cavity is around 73°. Since the numerical method uses adaptive time stepping, the profiles are not separated by equal time intervals. The first time distance from the singularity is t 0 "t!32.2 ms, the last one is 7.67 ms. our case the picture seems different. The self-similar solution !10" is observed in the entire first bubble entrapment band. On the other hand, this solution is not seen in or around the second band of bubble entrapment, where we should in principle also have a singularity. However the shape of the interface is very different in that case !Fig. 16" and a superposi- !9" & ! u, v ,t " ! ! t 0 "t " 1/3* ! u ! t 0 "t " "2/3, v! t 0 "t " "2/3" , !10" where h is the surface elevation and u!r s sin ' the distance to the axis of symmetry !r s being the spherical radius". We rescaled the radial and vertical coordinates of the surface points by (t 0 "t) 2/3 for R/R / !720. We determined t 0 by fitting two of the rescaled profiles onto one another. The results are shown on Fig. 15. All the profiles have been translated vertically in order for the point on the axis of symmetry to be at the same vertical coordinate. The rescaled profiles superimpose well at small values of the similarity variable -. The shape of the profiles closely resembles the experimental and numerical profiles in other types of flow.10,12,15 However at a large distance from the singularity the cone angle is about 73°. This should be compared with the angle of the cavity seen in the McIntyre data shown on Fig. 3. There, on profile 6 we measure an angle of 68°, a small difference with our calculations. In contrast, the other physical processes discussed in the introduction yield relatively larger angles. The finite viscosity should also introduce a discrepancy with the theoretical similarity solution. It seems however that its effects are small in that case. In Ref. 9 it was shown that for Faraday waves there was a connection between bubble entrapment and singularities. In FIG. 16. Shape of the interface on the edge of the second bubble formation region at R/R / !57 600. In that case a rescaling of the type shown on Fig. 15 could not be found. As in the previous figure profiles are not separated by uniform time intervals. The time of the first profile is t!1.284 ms, the last one is t!1.298 ms. Downloaded 14 Aug 2002 to 134.157.34.8. Redistribution subject to AIP license or copyright, see http://ojps.aip.org/phf/phfcr.jsp 3008 Duchemin et al. Phys. Fluids, Vol. 14, No. 9, September 2002 tion using the above rescaled variables could not be found. A possible explanation is that the conical cavity associated with the singularity is present here only on the large scale as seen on Fig. 10. The convergence of small-scale capillary waves is not able by itself to generate a self-similar conical flow. Thus the conical flow would be at least as important as bubble formation in producing the surface-tension driven self-similar scaling. A tantalizing possibility is the existence of further bands of bubble entrapment and singularities to the right of the second band. While bubble entrapment is observed in some cases, details of the dynamics are not well-enough resolved. It is likely that bubble entrapment and cusp singularities are related to the amplitude of the converging capillary waves. As viscosity is reduced, ever more capillary waves are observed to converge on the axis. For very large values of R/R / , waves having both short wavelength and small amplitude are formed. VII. CONCLUSIONS We have presented a numerical study of the bursting process of bubbles at a free surface. The scheme used was based on an accurate description of the free surface with the help of a markers chain. This method has shown good capabilities to resolve small capillary waves. The large scale features of the dynamics, the pressure and final droplet radius may be predicted with accuracy, except near the first bubble entrapment region near R/R / !103 . The predictions are quantitatively in agreement with experiment: the angle of opening of the cavity is similar to the angle observed in the experiments of MacIntyre and the size of the droplet at the tip of the jet is close to the experimentally reported size. The measurements of jet velocity near R/R / !103 show a surprisingly large velocity. The interface shape scales with a characteristic length r. ! t"t 0 ! 2/3 predicted by the balance of surface tension and inertia. The shape of the interface resembles shapes found in other jet-forming flows and cusp singularities, but has quantitative differences such as the opening angle of the conical cavity. The connection of this scaling with bubble entrapment is less clear. We found the scaling in a wide region. The occurrence of self similar flow and an approximate singularity is not connected to the exact boundary of a bubble entrapment band. We also found bubble entrapment transitions which were not associated to the ! t"t 0 ! 2/3 scaling. Finally the angle of the conical cavity agrees with the experimental data for bursting bubbles, but not with the angles seen or predicted in other flows. This indicates that other types of singularities, corresponding to different topologies or initial conditions, may be observed. Further work should explore in detail the nature of these singularities using for instance mesh refinement. Also of interest would be a study of the influence of the initial shape of the bubble. We have shown that a factor of two change in the rim thickness had no qualitative effect, and very little quantitative effect on the collapse process. However other changes in the initial condition may cause a change in the position of the various singularities. In other words, for a given radius, it would be possible to reach a singularity by changing the shape of the bubble. 1 M. Coantic, ‘‘Mass transfer across the ocean-air interface: small scale hydrodynamic and aerodynamic mechanisms,’’ Physico Chemical Hydrodyn. 1, 249 !1980". 2 J. M. Boulton-Stone and J. R. Blake, ‘‘Gas bubbles bursting at a free surface,’’ J. Fluid Mech. 254, 437 !1993". 3 J. M. Boulton-Stone, ‘‘The effect of surfactants on bursting gas bubbles,’’ J. Fluid Mech. 302, 231 !1995". 4 S.-C. Georgescu, J.-L. Achard, and E. 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Fluid Mech. 290, 183 !1995". 12 H. N. Oguz and A. Prosperetti, ‘‘Bubble entrainment by the impact of drops on liquid surfaces,’’ J. Fluid Mech. 203, 143 !1990". 13 M. S. Longuet-Higgins, ‘‘An analytic model of sound production by raindrops,’’ J. Fluid Mech. 214, 395 !1990". 14 M. Rein, ‘‘The transitional regime between coalescing and splashing drops,’’ J. Fluid Mech. 306, 145 !1996". 15 D. Morton, L. Jong-Leng, and M. Rudman, ‘‘An investigation of the flow regimes resulting from splashing drops,’’ Phys. Fluids 12, 747 !2000". 16 J. B. Keller and M. J. Miksis, ‘‘Surface tension driven flows,’’ SIAM !Soc. Ind. Appl. Math." J. Appl. Math. 43, 268 !1983". 17 D. C. Blanchard and L. D. Syzdek, ‘‘Film drop production as a function of bubble size,’’ J. Geophys. Res. 93, 3649 !1988". 18 S. Popinet and S. Zaleski, ‘‘A front tracking algorithm for the accurate representation of surface tension,’’ Int. J. Numer. Methods Fluids 30, 775 !1999". 19 S. Popinet and S. Zaleski, ‘‘Bubble collapse near a solid boundary: A numerical study of the influence of viscosity,’’ J. Fluid Mech. !in press". 20 Y. Toba, ‘‘Drop production by bursting of air bubbles on the sea surface !ii" theoretical study on the shape of floating bubbles,’’ J. Oceanogr. Soc. Jpn. 15, !1959". Downloaded 14 Aug 2002 to 134.157.34.8. Redistribution subject to AIP license or copyright, see http://ojps.aip.org/phf/phfcr.jsp PRL 96, 124501 (2006) PHYSICAL REVIEW LETTERS week ending 31 MARCH 2006 Singular Jets and Bubbles in Drop Impact Denis Bartolo,1,* Christophe Josserand,2,† and Daniel Bonn1,3,‡ 1 Laboratoire de Physique Statistique de l’ENS, 24 Rue Lhomond, 75231 Paris Cédex 05, France Laboratoire de Modélisation en Mécanique, CNRS-UMR 7606, Case 162, 4 place Jussieu, 75252 Paris Cédex 05, France 3 van der Waals-Zeeman Institute, University of Amsterdam, Valckenierstraat 65, 1018 XE Amsterdam, The Netherlands (Received 21 November 2005; published 27 March 2006) 2 We show that when water droplets gently impact on a hydrophobic surface, the droplet shoots out a violent jet, the velocity of which can be up to 40 times the drop impact speed. As a function of the impact velocity, two different hydrodynamic singularities are found that correspond to the collapse of the air cavity formed by the deformation of the drop at impact. It is the collapse that subsequently leads to the jet formation. We show that the divergence of the jet velocity can be understood using simple scaling arguments. In addition, we find that very large air bubbles can remain trapped in the drops. The surprising occurrence of the bubbles for low-speed impact is connected with the nature of the singularities, and can have important consequences for drop deposition, e.g., in ink-jet printing. DOI: 10.1103/PhysRevLett.96.124501 PACS numbers: 47.55.D!, 47.20.Cq, 47.20.Dr Droplets impacting on solid surfaces have fascinated scientists and even artists ever since the first pictures became available [1]. From a practical point of view, the control of the impact dynamics is of prime importance: droplet deposition is a key factor in many industrial processes. Pertinent examples are ink-jet printing [2], sputtering, spray painting [3], deposition of pesticides on plant leaves [4], etc. For most, if not all, of the applications, one wants to efficiently deposit a droplet, without spilling over any of the droplet material and without trapping air bubbles. From a fundamental point of view, the last ten years have witnessed an enormous progress in the understanding of free-surface flows. In particular, the description of the surface singularities that are ubiquitous in these problems has greatly advanced [5]. Experimental and numerical studies have taken advantage of the recent progress in high-speed imaging techniques and computational power, respectively, to determine the self-similar behavior close to the singularities. Examples of much recent interest are drop formation [6–8], surface driven flows [9], and bubble collapse [10]. However, complete understanding of the drop impact problem remains nontrivial due to a complicated multiscale interplay between capillarity, viscous forces, inertia, and the properties of the solid surface [3,11]. In this Letter, we find that a surprising outcome of this interplay is that an ultrafine, high-speed jet can emerge from the drop, sending out part of the drop material elsewhere. In addition, for a certain range of impact velocities, the jet formation is accompanied by entrapment of air bubbles. Both the jet formation and the bubble entrapment are understood as a consequence of the formation of an air cavity that subsequently closes up in a singular (selfsimilar) fashion. We find that the cavity can close in two different ways, and, consequently, identify two distinct collapse singularities. A detailed analysis and theoretical interpretation of the singularities allow an understanding of 0031-9007=06=96(12)=124501(4)$23.00 the main features of these high-speed and ultrathin emitted jets. We study the impact of water droplets on a hydrophobic surface. The water drops (of density ! " 1000 kg m!3 , surface tension " " 72 mN=m) are made using a precision needle which allows for a controlled release of spherical drop of radius RI " 1 mm. The impact velocity Vimpact of the droplets is varied simply by increasing the fall height. We use a superhydrophobic solid surface with a contact angle for water of # # 160$ [12]. The results described below are robust against viscosity changes (at least up to 10 times the water viscosity using water-glycerol mixtures), small variations of the drop radius or hydrophobicity: we obtain in fact very similar results for less hydrophobic, but still nonwetting surfaces (Parafilm and PDMS elastomer). However, due to contact line pinning on the solid, there is more scatter in the data; we will therefore restrict our discussion here to the superhydrophobic surfaces. Since the impact and subsequent jet formation are extremely rapid, we follow the drop impact using an ultrahigh speed video system (Phantom V7), and use frame rates of 60 000 and 100 000 fps. Figure 1 depicts three series of snapshots of drops impacting at three different velocities (0.45, 0.56, and 0:68 m % s!1 ). For all the cases studied here, the general dynamics of the impact consists in the spreading of the drop deformed by capillary waves followed by a retraction phase leading to the formation of a jet and finally to the total rebound of the droplet. Since we use a low-viscosity liquid, viscous effects can be neglected in our experiments; the drop dynamics is therefore dictated by the Weber number We, which compares the inertial to the capillary forces, We " 2 =". In the experiments We ranges between 0.6 !RI Vimpact and 16: this corresponds to small deformations on the scale of the droplets, as is indeed observed in the experiment. The jets, on the contrary, correspond to very large deformations, but have a very small characteristic size, Fig. 1. 124501-1 2006 The American Physical Society week ending 31 MARCH 2006 PHYSICAL REVIEW LETTERS As the drop hits the surface, capillary waves are excited, propagate along the surface, and deform the drop into a pyramidal shape. The oscillations of the capillary waves then lead to the formation a cylindrical air cavity located at the center of the drop along the vertical axis [Fig. 1(a)]. For the lowest impact speed, Fig. 1(b), the cavity retains its cylindrical shape all the way until its collapse. Conversely, for intermediate impact speeds, the bottom-up symmetry is broken almost immediately [see Fig. 1(c)]: the top of the cavity retracts faster than the bottom. As the liquid surface reconnects at the top, a bubble is entrapped. In Fig. 1(d), for higher impact speeds, the bottom of the cavity detaches itself from the solid surface prior to the cavity collapse, which leaves no bubble behind. By additionally filming some of the droplets from above, we determine whether dewetting due to the cavity formation occurs. We observe in fact rupture of the liquid film between the air cavity and the solid surface for 0:37 < Vimpact < 0:55 m=s. The drop then adopts a toroidal shape. In all cases, the collapse of the air cavity is immediately followed by the violent ejection of a thin jet. For a low-viscosity fluid, the only intrinsic length scale in the problem is the wavelength of the capillary waves excited by the impact (i.e., the characteristic step size of the pyramidal drop). This length is on the order 2 of $ # "=&!Vimpact ' [13], an order of magnitude larger than the radius of the smallest jets. We therefore need to understand the anomalously small size and large velocity of the jets. The velocity is determined by measuring the position of the top of the jet on four successive images when the jet emerges from the drop. We find that this velocity, Vjet can be 40 times larger than the impact speed: Vjet " 18 m % s!1 for Vimpact " 0:45 m % s!1 . The variation of the jet speed, Vjet , and of the jet radius, Rjet , are nonmonotonic and highly nontrivial, 40 I III II 1.2 R jet /R I FIG. 1. Rapid camera snapshots. Impact of water drops (radius RI " 1 mm) on a superhydrophobic surface. (a) Formation of the cylindrical air cavity: impact velocity Vimpact " 0:45 m % s!1 . Pictures taken 2.3, 2.7, and 3.4 ms after the impact time. (b) Vimpact " 0:45 m % s!1 . Pictures taken 3.8, 4.0, and 4.3 ms after the impact. (c) Impact velocity Vimpact " 0:56 m=s. Pictures taken 3.8, 4.2, and 4.4 ms after the impact. Note the presence of a trapped air bubble. (c) Impact velocity Vimpact " 0:68 m % s!1 . Pictures taken 3.7, 4.2, and 4.9 ms after the impact. as shown in Fig. 2. We identify three main regions, separated by dotted lines and denoted I, II, and III. Region I.—At small impact velocities, when increasing the impact velocity, the jet radius decreases rapidly whereas its velocity appears to diverge as the impact velocity approaches VI-II . In parallel, the jet radius, measured just after its formation, becomes very small. Region II.—This region corresponds to very small values of the jet radius and high jet velocities, and a rather complicated behavior of the jet velocity is observed as a function of Vimpact . The latter is due to a subtle interplay between the rupture of the liquid film and entrapment of air bubbles. When approaching VII-III , we observe bubble entrapment as shown in Fig. 1(b) for Vimpact ( 0:55 m=s, as indicated by the black arrow in Fig. 2. The entrapment is clearly due to the closing of the drop top surface before the air can escape from the cavity, neither from the top before the cavity closes, nor through the bottom since the liquid film does not open [14]. Our experiment thus suggests that two conditions need to be fulfilled for entrapment: the cavity closes at the top and the air is not evacuated from the bottom. Region III.— For ‘‘high’’ impact velocities a decrease in radius and a diverging jet velocity are found upon decreasing the impact velocity. As Vimpact > VII-III air bubbles are not trapped in the liquid anymore. The high-speed movies (and Fig. 1) clearly show that the jet is formed due to the collapse of the air cavity. To understand what fixes the jet’s length and velocity scale, we thus need to consider the collapse dynamics in detail. This allows us to show that the jet structure with its anomalous length and velocity scales is fully determined by the collapse dynamics of the cavity. The jets ejected for Vimpact close to VI-II result from the pinch-off singularity of an air cylinder immersed in a low viscosity liquid. Investigating the collapse dynamics in detail [between images 1 and 3 on Fig. 1(b)], we observe that the air thread exhibits self-similar behavior characteristic of a finite-time singularity, with a character- 30 Vjet /Vimpact PRL 96, 124501 (2006) 20 0.8 0.4 0.0 0.2 10 0.7 VI (m/s) 1.2 0 0.2 0.4 0.6 Vimpact 0.8 1 1.2 (m/s) FIG. 2. The jet velocity normalized by the impact velocity is shown as a function of Vimpact . The inset shows the jet radius. Three regions are identified separated by dotted lines at VI-II " 0:45 and VII-III " 0:65 ms!1 . Open symbols correspond to the same experiments as in Figs. 1(a)–1(c). Inset: Jet radius normalized by the initial drop radius plotted versus the impact speed. 124501-2 PRL 96, 124501 (2006) week ending 31 MARCH 2006 PHYSICAL REVIEW LETTERS istic exponent for the vanishing of the cavity radius R " A&tc ! t'0:5)0:01 , with A " 0:02 ) 0:003 m % s!1=2 , see Fig. 3. This dynamics is found almost but not completely up to the singularity point. Rather, very close to the singularity the air cylinder suddenly breaks down at some critical radius Rc . This loss of the cylindrical symmetry of the cavity depends in fact on the initial velocity Vimpact . This is an incredibly rapid process: even when filming at 100 000 fps, the air cavity disappears in a single image. Similar cylindrical pinch-off was described recently in bubble pinch-off in different liquids [15] and for cavity closure after impacts of steel balls on dilute granular materials [16]. For the latter, the pinch-off is followed by jet formation as is also the case here. For the former, a similar and equally surprising deviation from the selfsimilar behavior close to the singularity was reported. The pinch-off dynamics for all three cases is given by the Rayleigh-Plesset equation [6,17] for cylindrical freesurface flows. With the assumption that the air viscosity can be neglected it reads for an inviscid fluid: ! " R 1 " P&r' ! P0 2 ! _ " &RR * R ' ln * R_ 2 ! ; (1) r 2 !R ! The relation between the jet radius and the jet velocity can be inferred using a second conservation law. The continuity equation for the kinetic energy fluxes at the onset of the jet 3 shooting reads: 12 !R_ 3 &t'-2%R&t'h. " 2 12 !Vjet -%R2jet ., using Eq. (2), we obtain ! " A2 Rjet !1 : (3) Vjet + 2RI RI Equations (2) and (3) correctly predict the scaling relations between Vjet , Rjet , and Rc : Vjet / &Rc =RI '!2 and Vjet / &Rjet =RI '!1 , in good agreement with the experimental data. These results are strongly substantiated by the complete absence of free fitting parameters, since A is known 2 10 V jet (m/s) where P is the pressure, R&t' is the radius of the cavity, and r is a large-scale cutoff, on the order of the drop radius. For low-viscosity fluids, the pinch-off dynamics is dominated by inertia and the first term on the right-hand side. If indeed all other terms can be neglected, this implies that the prefactor of the logarithm is zero, leading immediately to R&t' / A&tc ! t'1=2 for the radius of the cylinder [18], in excellent agreement with the experimental data. In addition to the correct scaling, the prefactor A can be estimated using simple dimensional analysis: A + &"RI =!'1=4 . This leads to A + 1:6 , 10!2 m % s!1=2 , in good agreement with the experimental value. We can now use our understanding of the cavity dynamics to account for the jet velocity. In Fig. 4 we show Vjet as a function of the radius of the air cavity at rupture Rc and similarly as a function of the jet radius Rjet . Clear power law relations over more than one decade of Vjet are observed: Vjet / &Rc =RI '!1:9)0:2 , where Rc is the cavity radius just prior to the collapse, and Vjet / &Rjet =RI '!0:9)0:2 . To understand these relations between the jet velocity and radius on the one hand, and the critical cavity radius on the other hand, we propose a simple semiquantitative model based on mass and kinetic energy fluxes, neglecting both viscous and capillary effects. At the onset of cavity rupture, the pinch-off dynamics described above leads to a _ " velocity of collapse of the air cylinder equal to R&t' 1=2 2 A=-2&tc ! t' . " A =&2Rc '. Recalling that the bulk velocity field is steady for inertia dominated cylindrical collapse, we can use a balance equation through the boundary defined by the radius Rv and the height of the deformed drop, taken here to be on the order of the initial drop radius _ " RI . Then, mass conservation gives: -2%R&t'h.R&t' 2 2-%Rc .Vjet , and h # RI which leads to ! " A2 Rc !2 Vjet " : (2) 2RI RI 1 10 0 10 -1 10 -2 10 -1 10 (R ,R )/R c FIG. 3. Radius of the cylindrical cavity R plotted versus jt ! tc j. Triangles: drop impact speed Vimpact " 0:43 m % s!1 . Circles: Vimpact " 0:46 m % s!1 . Squares: Vimpact " 0:52 m % s!1 . Lines: power law fits. jet 0 10 I FIG. 4. Open circles: Jet velocity plotted versus the jet radius normalized by the initial drop radius, Rjet =RI . Dashed line: theoretical prediction obtained from Eq. (2). Filled circles: Jet velocity plotted versus the cylindrical cavity radius before collapse normalized by the initial drop radius Rc =RI . Full line: theoretical prediction obtained from Eq. (3). 124501-3 PHYSICAL REVIEW LETTERS PRL 96, 124501 (2006) 0.8 0.14 week ending 31 MARCH 2006 FIG. 5. Self-similar structure of the jet. Impact velocity: Vimpact " 0:687 m % s!1 . Left: twelve superimposed jet profiles for different times (time interval 15 &s). First profile taken 0.17 ms after the collapse of the air bubble. Axes units: mm. Right: the same curves have been rescaled by a factor of &t ! tc '2=3 for the x and y coordinates, following the scaling behavior expected for self-similar dynamics in a capillary-inertial regime (arbitrary units for the rescaled profile plots). features of this are the anomalously small lengths and high velocities: very narrow jets are formed that shoot out with speeds up to 40 times the drop impact velocity. As is the case for all singular jets in liquids, granular media, for Faraday waves, etc., the jet formation is preceded by the collapse of an air cavity. It is this singularity that is responsible for the selection of the anomalous length and velocity scales of the jets. We have related here, for the first time, the collapse dynamics of the cavity to the divergence of the speed of the jet. An open question remains what intrinsic length scale provides the cutoff mechanism for the singularity. In our experiment, close to VI-II the maximum velocity of the jet is bound by the minimum radius the cavity can reach. This turns out to be rather different from a microscopic length scale: the cylindrical cavity destabilizes at + 50 &m, the reason for which remains unclear. from the void collapse dynamics. Figure 3 compares the theoretical predictions with the experimental results; given the simplicity of our model, the agreement with the experimental data is quite satisfactory not only for the scaling exponents but also for the numerical prefactors. The last observation that needs to be explained is then the divergence of the jet velocity upon approaching VII-III . Experimentally, the transition between regions II and III can also be identified by the topological change from a simply connected topology to a multiply connected topology, revealed by the bubble trapping. The divergence of the velocity and the topological change bear a striking similarity to the capillary-inertial singularities observed for driven Faraday waves [19] and for bubbles bursting at the free surface of a liquid [10]. For these two cases, the singular behavior can be accounted for by balancing capillary and inertial forces. It was shown, see, e.g., [19], that all length scales behave self-similarly as jt ! tc j2=3 , with tc the collapse time. Our camera is not fast enough to follow the ultrafast collapse dynamics of the air cavity prior to the jet formation [Fig. 1(d)]. However, we did manage to monitor the shape of the jet profile for Vimpact slightly above VII-III , and, consequently, probe the dynamics after the singularity. Theoretically there is no reason why the length scales should not follow the same jt ! tc j2=3 behavior after the singularity. However, this post-singular regime has hardly ever been investigated in detail [20]. Figure 5 shows the rescaling of the different jet profiles taken at a regular time interval. The different profiles converge reasonably well onto a single master curve, in agreement with the idea that the dynamics after the singularity is still governed by capillary-inertial self-similar dynamics. The rather surprising conclusion is, therefore, that although the jet velocity diverges upon approaching both VI-II and VII-III , the underlying collapse singularities leading to the jet divergence is fundamentally different in the two cases. In summary, we have shown here that gentle drop impacts can lead to singular behavior. The most surprising *denis.bartolo@lps.ens.fr † josserand@lmm.jussieu.fr ‡ daniel.bonn@lps.ens.fr [1] A. Worthington, Proc. R. Soc. London 25, 261 (1876). [2] D. B. Dam and C. Le Clerc, Phys. Fluids 16, 3403 (2004). [3] R. Rioboo, M. Marengo, and C. Tropea, Atomization and Sprays 11, 155 (2001). [4] V. Bergeron, D. Bonn, J.-Y. Martin, and L. Vovelle, Nature (London) 405, 772 (2000). [5] J. Eggers, Rev. Mod. Phys. 69, 865 (1997). [6] A. Prosperetti and H. N. Oguz, Annu. Rev. Fluid Mech. 25, 577 (1993). [7] I. Cohen, M. P. Brenner, J. Eggers, and S. R. Nagel, Phys. Rev. Lett. 83, 1147 (1999). [8] R. F. Day, E. J. Hinch, and J. R. Lister, Phys. Rev. Lett. 80, 704 (1998). [9] J. Keller and M. Miksis, SIAM J. Appl. Math. 43, 268 (1983). [10] L. Duchemin, S. Popinet, C. Josserand, and S. Zaleski, Phys. Fluids 14, 300 (2002). [11] M. Rein, Fluid Dyn. Res. 12, 61 (1993). [12] F. Bouamrirene (private communication). [13] Y. Renardy et al., J. Fluid Mech. 484, 69 (2003). [14] This is very different from the bubble formation considered in Mehdi-Nejad et al., where the bubble is entrapped in a very early stage of the impact due to the drop deformation.V. Mehdi-Nejad, J. Mostaghimi, and S. Chandra, Phys. Fluids 15, 173 (2003). [15] J. C. Burton, R. Waldrep, and P. Taborek, Phys. Rev. Lett. 94, 184502 (2005). [16] D. Lohse, R. Bergmann, R. Mikkelsen, C. Zeilstra, R. van der Meer, M. Versluis, J. van der Weele, M. van der Hoef, and H. Kuipers, Phys. Rev. Lett. 93, 198003 (2004). [17] M. S. Plesset and A. Prosperetti, Annu. Rev. Fluid Mech. 9, 145 (1977). [18] This scaling is valid up to logarithmic corrections; see J. M. Gordillo et al., Phys. Rev. Lett. 95, 194501 (2005). [19] B. Zeff, B. Kleber, J. Fineberg, and D. Lathrop, Nature (London) 403, 401 (2000). [20] J. E. Hogrefe, Physica D (Amsterdam) 123, 183 (1998). 0.12 0.6 0.1 0.4 0.08 0.06 0.2 0.04 0 0 0.2 0.4 0.6 0.02 0 0.02 0.04 0.06 124501-4 & ' ( ) * !) !( !' !& !! ! " # $ % !! !" !# !'% !'$ !'# !'" ! ! " # $ % &! *+*( *+*" &(+!$ *+*) &(+!) &(+!# &(+!* *+*! &(+!" &(+!& &(!!) * * *+***) &(!!# &(!!* *+***( &(!!" &(!!& *+***' &(+!! *+***& !* &! & !'& ! !'!& !'!!& !'& & &! *+! ! !* " &') & !') ! ! " # $ % EUROPHYSICS LETTERS 1 February 2006 Europhys. Lett., 73 (3), pp. 363–369 (2006) DOI: 10.1209/epl/i2005-10398-1 Granular pressure and the thickness of a layer jamming on a rough incline C. Josserand, P.-Y. Lagrée and D. Lhuillier Laboratoire de Modélisation en Mécanique, UMR CNRS 7607 Boı̂te 162, Université Pierre et Marie Curie - 75252 Paris cedex 05, France received 6 June 2005; accepted in final form 30 November 2005 published online 21 December 2005 PACS. 45.70.Ht – Avalanches. PACS. 45.70.-n – Granular systems. PACS. 83.80.Fg – Granular solids. Abstract. – Granular media with a compaction between the random loose and random close packings have very specific features. Among them is the “disorder” pressure which strongly depends on the solid fraction and is pertinent for moving media only. The concept of a granular pressure depending on the solid fraction is not unanimously accepted because dense granular media are often in a frozen state which prevents them from exploring all their possible microstates, a necessary condition for defining a pressure and a compressibility unambiguously. While periodic tapping or cyclic fluidization have already been used for that exploration, we here suggest that a succession of flowing states with velocities slowly decreasing down to zero can also be used for that purpose. And we propose to deduce the pressure in dense and flowing granular media from experiments measuring the thickness of the granular layer that remains on a rough incline just after the flow has jammed. Introduction. – The existence of a pressure in granular media is the simplest way to represent their stiffness. When the concentration of grains is above the random close packing, the granular medium acts as a poro-elastic solid, its pressure is a function of the solid fraction and it involves the elastic constants of the material the grains are made of (see, e.g., [1]). When the granular medium has a smaller compaction, in the range between the random loose and random close packings, the grains can be considered as rigid and the expression of the granular pressure is far less evident. The difficulty comes from the glassy behaviour which makes it quite usual to find these granular media in a frozen state concerning their compaction. Hence the feeling that the granular pressure is largely dependent on the way the medium was prepared. However, experiments have been conducted which aim at allowing the granular medium to reach a steady and quasi-equilibrium state concerning its solid fraction. These experiments relied on regular tappings [2,3] or cyclic fluidization [4] favouring the exploration of a maximum of microstates. A systematic exploration of the microstates can also be achieved starting from a flowing granular medium, and slowly reducing its velocity down to rest. As a consequence, we suggest that some of the experiments on rough plates (inclined with angle θ) c EDP Sciences ! 364 EUROPHYSICS LETTERS which led to define the thickness hstop (θ) which remains after the flow has jammed [5], can also be used to infer the relation between granular pressure and solid fraction. The main features of the elastic stress tensor will be reviewed, then those of the “disorder” pressure. How these two contributions combine to build the total granular pressure is debated thereafter. We then deduce the link with the hstop experiments and discuss how the experimental data must be handled to deduce an expression for the granular pressure. The stress generated by interparticle forces and velocity fluctuations. – Consider a large " α (t) and velocity V " α = dR " α /dt, submitted to number of particles with mass mα , position R αβ " the forces F exerted by all other particles β. The stress tensor of this granular assembly is known to be [6] !" " R # "β − R "α " α) − ⊗ F" αβ δ("x − R 2 α β!=α # !" "α−V " ) ⊗ (V "α−V " ) δ("x − R " α) , mα (V − σ= (1) α " α ) is a Dirac function located where the brackets # $ represent a statistical average while δ("x − R " at the center of particle α and V is the mean velocity of the grains. For a non-cohesive granular medium the interparticle forces are null except when particle β is in contact with particle α. The above general expression was used in numerical simulations to obtain the stress tensor of a moving granular medium. In a steady shear flow with a shear ∂Vx /∂z, the components σxz and σzz of the above stress tensor were found to be rate dependent, with a (∂Vx /∂z)2 behaviour (see the second contribution in eq. (4) for example). However, above some minimal concentration of the grains, a rate-independent contribution was also found. According to Aharonov and Sparks [7], Silbert et al. [8], O’Hern et al. [9] and Head and Doi [10], this rate-independent contribution, called pelastic henceforth, vanishes below a value φc which is slightly smaller than the random close packing φM and which depends on the microscopic friction between the grains [9] as well as on the orientation of the flow relative to gravity [8]. Above this threshold packing needed to observe the elastic stiffness of the granular assembly, the elastic pressure was found to depend on the volume fraction φ and to obey the scaling law pelastic ∼ E(φ − φc )α , (2) where E is the bulk modulus of the material the particles are made of, while α = 1 for Hookean contact forces and α = 3/2 for Hertzian ones. Due to the very large value of E, the compressibility of the granular medium is almost infinite for volume fractions less than the threshold φc and vanishingly small above it. It is thus not surprising that numerical simulations based on expression (1) of the stress tensor predict an almost uniform volume fraction φ ≈ φc all over the granular material. However, many experiments exist on surface flows of dense granular materials in which the solid fraction profile was observed to be non-uniform (see, for example, [11, 12] and [13]) and extended in the range between the random loose packing φm at the surface and some higher volume fraction (presumably φc ) far from it. Is it possible that a second contribution exists to the rate-independent pressure, giving the flowing granular material a finite compressibility for solid fractions in the range between φm and φc ? The configuration pressure and the disorder pressure. – Consider a large volume containing many rigid spheres with a high enough volume fraction φ̃ for a contact network to invade the whole volume. Let Ω(φ̃)dφ̃ be the number of different spatial configurations of C. Josserand et al.: Granular pressure and the thickness etc. 365 these spheres in the range between φ̃ and φ̃ + dφ̃. To belong to Ω(φ̃), a configuration must display a large enough number of contacts, but no forces at the contact points, hence giving no contribution to the mechanical stress (1). The density of micro-states Ω(φ̃) is thus a purely geometric concept. If instead of rigid spheres we were considering soft ones, we would say we are counting the number of configurations with zero energy (“incipient” contacts), yet able to resist an infinitesimal external pressure load. This density of states presumably vanishes below a minimum compaction φmin ' 0.40 (the gel threshold) and above the maximum compaction φmax ' 0.74 (the most compact crystalline configuration). At some intermediate volume fraction the density of microstates displays a large maximum value. This intermediate compaction with the maximum number of microstates is likely to be the loosest random packing φm . According to Onoda and Liniger [14] its value for spherical grains is φm = 0.555. Introduce now a number P which represents a non-dimensional measure of the configuration pressure and define the partition function Z(P ) = $ φmax eP φ̃ Ω(φ̃) dφ̃. φmin The mean volume fraction is then related to the configuration pressure in the form φ = d dP Log Z. This relation can be used to obtain both P (φ) and the variance of the density fluctuations #(φ̃ − φ)2 $ = dφ/dP . Another useful quantity is the configuration entropy S = Log Z − P φ . This configuration entropy is a function of the mean volume fraction and the non-dimensional configuration pressure is nothing but P = − dS dφ . Many works starting from Kanatani [15] and revived by Edwards and Oakeshott [16] strived to find an explicit form for the configuration entropy. The general trends of their results are the following: for a vanishing pressure, the mean volume fraction is the one with the maximum number of microstates, i.e. φm , while for an infinite pressure, the volume fraction is φmax and the compressibility dφ/dP vanishes. The simplest expression meeting these conditions is the one deduced from the entropy of the lattice-gas model (see, e.g., [17]) P ∼ Log φmax − φm . φmax − φ Note that the above pressure stems from the total number of different configurations, including both random and crystalline ones. It is also possible to select random configurations only. In this case one introduces the random close packing φM above which all configurations display some cristalline order. For spheres, it is generally admitted that φM = 0.635. A plausible expression for the disorder pressure is pdisorder ∼ Log(φM − φm )/(φM − φ) an expression restricted to the range φm < φ < φM . The gradient of the disorder pressure acts as a diffusion force which pushes the grains towards regions of smaller volume fractions, those with a larger number of microstates belonging to Ω(φ̃). For the grains to have a chance to explore all microstates, the best solution is a steady flow. This is why the concept of a disorder granular pressure is pertinent for dynamic situations only. The disorder pressure confers the granular medium a compressibility which decreases when the volume fraction increases. With the above lattice-gas expression for the pressure, the compressibility is proportional to φM − φ, in agreement with the experimental results of Nowak et al. [2] but not with those of Schroeter et al. [4], which display a minimum of the compressibility for a compaction between φm and φM . Besides its φ-dependence, a second issue to be considered is the scaling of the disorder pressure. Since neither the grain elastic properties nor the Brownian motion is involved in pdisorder , one must discard any elastic modulus or the thermal energy as candidates. We are 366 EUROPHYSICS LETTERS thus led to write the disorder pressure as pdisorder = P0 Log φM − φm , φM − φ (3) where P0 is some yet undetermined characteristic pressure. This constitutive relation for the disorder pressure will hold in all circumstances. The characteristic pressure is expected to compare with the self-weight pressure that exists under several granular layers and which leads to volume fractions below φM . In contrast, the pressure load considered in soil mechanics compares with the elastic bulk modulus and leads to volume fractions higher than the random close packing. In that domain, the notion of disorder pressure is irrelevant. The rate-independent granular pressure. – σzz has been modelled as [18–20] In a steady shear ∂Vx /∂z the normal stress σzz = p(φ) + ρp D2 µN (φ)(∂Vx /∂z)2 , (4) granular pressure where µN (φ) is a function of the solid fraction which depicts the relative importance of dilatancy effects, ρp is the mass density of the grains and D is the grain size. We are here interested in the rate-independent contribution to the normal stress. We would like the granular pressure p(φ) to represent as far as possible all what was said above about the disorder pressure and the elastic pressure. It is clear that p(φ) would coincide with pdisorder if φc were equal to φM . Unfortunately, this equality appears to hold only for horizontal flows [8] and frictionless grains [9]. In all other cases, φc is slightly smaller than φM and because of the tremendous increase of pelastic above φc , the granular pressure will strongly increase (and for us will diverge) at φc instead of φM (see fig. 1). For this reason we will test two different 40 hstop /D 35 30 25 20 15 10 5 φm Fig. 1 φ φc φM 30 31 32 33 θ 34 35 36 37 Fig. 2 Fig. 1 – Schematic representation of the elastic pressure (dashed line) and disorder pressure (plain line) as a function of the compaction in the range between the random loose packing φm and the random close packing φM . The disorder pressure vanishes below φm and diverges at φM while the elastic pressure vanishes below φc and strongly increases above. Fig. 2 – Dependence of hstop /D on the inclination θ. Comparison between experimental results (points) for sand over carpets (from [22]) and fitting curves deduced from the granular pressure (6) (plain) and (5) (dashed). Experimental results with hstop /D ≤ 3.6 were discarded and the value θmax ≈ 36.1 was adopted. C. Josserand et al.: Granular pressure and the thickness etc. 367 expressions for the granular pressure: φc − φ m φc − φ (5) (φ − φm )n , (φc − φ)m (6) p(φ) = P0 Log and p(φ) = P0 with positive but yet unknown exponents m and n for the second expression. Note that these expressions for the rate-independent granular pressure hold in the very small solid fraction range φm < φ < φc , and for flowing media only. Expression (5), with φM instead of φc , was already adopted in previous works [18–20]. We now acknowledge this replacement of φc by φM was not justified and we want to test the pertinence of the granular pressure (5) or (6) in an unsteady flow that leads to jamming. The maximum thickness of a granular layer that jams on a rough incline. – Consider a layer of granular material flowing down a rough inclined plate. Upon gently reducing the inclination with a constant thickness h, the layer ultimately stops at some angle θ. Since the flow velocity was slowly reduced to zero, the granular layer had time to explore a lot (if not all) of the microstates involved in pdisorder . It is thus likely that the peculiar jammed state which the layer arrives at is described by the rate-independent pressure p defined above. The mechanical equilibrium of the freshly jammed layer is thus expressed by 0=− ∂p + φρp g cos θ and ∂z tan θ = min [µ(z)] , (7) where the z-axis is orthogonal to the free surface of the layer and points downwards while µ is the macroscopic friction coefficient (which is possibly non-uniform over the layer thickness), and g is the acceleration of gravity. Substituting expression (5) or (6), one deduces that the solid fraction profile φ(z) increases from φm at the free surface up to values close to φc at a depth of order L with P0 . (8) L= φc ρp g cos θ Concerning the particular expression (5), the whole profile is exponential-like and given by φ(z) = 1+ φc z . − 1)e− L ( φφmc (9) A similar exponential profile was already observed in experiments [11–13] and was also obtained in simulations of a frustrated lattice-gas model [21]. On the contrary, recent numerical simulations [8] which do not see any rate-independent pressure below φc predicted a flat profile at this volume fraction. We come back to this discrepancy in the concluding section. Knowing the compaction profile, let us now focus on the layer thickness h. Da Cruz [22] has deduced from numerical simulations of dense flows a very important (and a bit counterintuitive) result: the macroscopic friction coefficient decreases almost linearly with the solid fraction and can be written as µ = µmax − (µmax − µmin ) φ − φm . φc − φm (10) Since the compaction increases with the distance from the free surface, the minimum value of µ happens very close to the rough plate, that is to say for z ' h. Just after jamming, we thus 368 EUROPHYSICS LETTERS φ(h )−φ m have: tan θ = µmax − (µmax − µmin ) φstop . For the special expression (5) and related c −φm profile (9), one obtains a rather simple expression, % & hstop φc µmax − tan θ = Log 1 + . (11) L φm tan θ − µmin When the granular pressure is given by (6) there is no simple analytical result for hstop but two asymptotic results: ' (m ' (n µmax − µmin hstop φc µmax − tan θ hstop ≈ ≈ and , (12) L tan θ − µmin L φm µmax − µmin which hold when tan θ is slightly larger than µmin and slightly smaller than µmax , respectively. Experimental results. – Systematic measurements of the layer thickness were initiated by Pouliquen [5] who obtained the thickness hstart (θ) for an initially static layer and hstop (θ) for an initially flowing layer. Since the disorder pressure is relevant to moving media only, we are interested in hstop exclusively. The experimental results were fitted with [5, 22] % & µmax − µmin µmax − tan θ hstop hstop = Log = , (13) or BD tan θ − µmin BD tan θ − µmin where D is the grain size while B is a number to be deduced from experiments. To deduce the bulk granular pressure from these experiments on rough inclines, one must discard experiments performed with relatively smooth plates, and more generally those for which the curves hstop (θ) are strongly modified upon changing the plate roughness. And concerning those with a high enough roughness, we must exclude some boundary layer of thickness δ and consider h−δ as the relevant thickness for bulk behaviour. Accordingly, we were led to discard all the experiments performed with glass beads because the friction generated by the beads glued on the incline is only slightly larger than the friction in the bulk. But we considered as significative the experiments with sand flowing on carpets of various roughnesses. And for these experiments with sand we discarded a boundary layer with thickness estimated to δ ' 4D. Because of the scarcity of data, we could not fully discriminate between expression (5) and expression (6) with m = 1 and n = 1 (see fig. 2). However, it was possible to give an order of magnitude to the reference pressure P0 . If it can be taken for granted that hstop scales with the grain size D, then the reference pressure must scale with ρp gD and in fact, the fit with experimental data of sand over carpets was obtained with P0 ≈ 5 ρp gD , together with µmax ≈ 0.7 and µmin ≈ 0.5. (14) Conclusions. – A rate-independent granular pressure depending on solid fraction was proposed long ago for poro-elastic media [1]. It corresponds to pelastic and vanishes below the threshold solid fraction φc . The statistical properties of granular materials in the range between the random loose packing φm and the random close packing φM [15, 16] can be represented by a second rate-independent pressure pdisorder . Since φm < φc ≤ φM , we proposed that granular media with solid fraction in the range φm < φ ≤ φc can be endowed with a granular pressure p(φ) similar to pdisorder but diverging at φc instead of φM . It must be stressed that for pdisorder to be observed, the granular material must be able to explore all its microstates. This is certainly the case of steady flows and in fact, with expression (5) for the C. Josserand et al.: Granular pressure and the thickness etc. 369 granular pressure, we have found already very good agreement with the experimental velocity and solid fraction profiles observed in steady free surface or confined flows [19, 20]. In the present letter we assumed that the exploration of microstates can also be achieved in unsteady flows provided their velocity is smoothly decreasing down to zero and we proposed to infer the granular pressure from measurements of hstop (θ). With expression (5) we predicted result (11) which fits quite well with the experimental results. Moreover the scaling of hstop with the grain size D has confirmed our previous guess [19, 20]: the granular pressure (and pdisorder ) scales with ρp gD. We have thus many reasons to believe in the existence of a granular pressure of entropic origin in the range φm < φ ≤ φc . Thereby we do not understand why up to date simulations are unable to observe pdisorder and the related finite compressibility for solid fractions between φm and φc . We have, however, a suggestion. As observed in some experiments (e.g., [23]), the mean velocity and the granular temperature reach their steady state much more rapidly than the solid fraction. It is thus possible that the number of time-steps performed in the simulations is not large enough to let the solid fraction reach its true steady profile. ∗∗∗ The authors appreciate interactions and debates with R. Ball, F. Chevoir, D. Dean, J. Gollub, T. Harsley, D. Head, V. Kumaran, M. Nicodemi, J. N. Roux, G. Tarjus and P. Viot. DL thanks the Kavli Institute for Theoretical Physics for hospitality and support through the Granular Physics Program GRANULAR05. REFERENCES [1] Baer M. R. and Nunziato J. W., Int. 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Morphodynamic modeling of erodible laminar channels Olivier Devauchelle, Christophe Josserand, Pierre-Yves Lagrée and Stéphane Zaleski Institut Jean le Rond d’Alembert, Université Pierre et Marie Curie - Paris 6, CNRS-UMR 7190, Case 162, 4 place Jussieu, 75252 Paris Cédex 05-France A two-dimensional model for the erosion generated by viscous free-surface flows, based on the shallow-water equations and the lubrication approximation is presented. It has a family of selfsimilar solutions for straight erodible channels, with an aspect ratio that increases in time. It is also shown, through a simplified stability analysis, that a laminar river can generate various bar instabilities very similar to those observed in natural rivers. This theoretical similarity reflects the meandering and braiding tendencies of laminar rivers indicated by F. Métivier and P. Meunier, (Journal of Hydrology, 27 1, pp. 22-38 (2003)). Finally, we propose a simple scenario for the transition between patterns observed in experimental erodible channels. PACS numbers: I. INTRODUCTION Natural rivers seldom form straight beds. Instead, they usually develop braids or meanders as a consequence of current-induced sediment transport. The understanding of such river sedimentation mechanisms can also help to characterize the spatial heterogeneity of alluvial rocks, which is a key parameter when simulating aquifer flows or oil traps in petroleum reservoirs [1]. The theoretical work of [2], [3] and [4] introduced among geomorphologists the fruitful idea that such patterns may originate in the linear instability of the flow, bed and bank system. Two-dimensional turbulent shallow water equations associated with a simple sediment transport law are able to predict the formation of alternate bars in channels of constant width. Such bars have been commonly accepted as a key phenomenon for braids and meander formation [5]. Numerous refinements of this theory may be found in the literature: [6] performed the bar stability analysis in three dimensions, while [5] focused on the differentiation between braids and meanders. Later [7] and [8] relaxed the rigid-banks hypothesis. [9] and more recently [10] modeled the non-linear evolution of free bars. All these works (and to our knowledge, every study in this field) considered turbulent flows, which is entirely legitimate as far as natural rivers are concerned (the average Reynolds number of the Seine river in Paris is about 106 ). However, one should not conclude from this ubiquity of turbulence that braiding and meandering are inherently turbulent phenomena. [11] very recently accumulated experimental evidence showing that laminar flumes may also generate many patterns created by real rivers. In particular, the constant flow of a thin liquid film down an homogeneous granular bed initially crossed by a straight channel exhibits rather complex pattern dynamics as the flume is deformed by erosion (see [12]). First, the channel widens while remaining straight. Then a meander-like instability develops, which deforms both the bed and the banks. Eventually, more bars develop in the middle of the channel and the river starts to braid [32]. This behavior is qualitatively comparable to the one of larger channels, at higher Reynolds number (see the two meters-wide experiment of [13]). To our knowledge, no quantitative experimental results have been published about river erosion instabilities in the laminar regime. As a consequence, the results presented here can only be compared to the qualitative evolution described in [12]. Reference to turbulent experiments can only illustrate the sound similarity with the laminar case. Our objective is to comfort the idea that micro-rivers can be an intermediate step toward the understanding of natural rivers morphodynamics. We do not claim that quantitative results from micro-rivers could be extrapolated to field results (see section II A). We are rather convinced that such small-scale experiments share with larger ones many features still under investigation (nonlinearity of the flow-sediment interaction, equilibrium shape of the bed, behavior and influence of the bank). Such laminar flow approach can also help to disentangle the role of the turbulence in the river morphodynamics. Moreover, theoretical as well as numerical river models could be easily tested against micro-rivers data, before adding the complexity of turbulence and switching to larger experiments and natural rivers. In a first section, a two-dimensional evolution model for laminar flumes is presented. It is based on the assumption that the velocity profile is close to Nußelt’s one. A rather general erosion law is then discussed and compared to the experiments of [14]. The following section is devoted to the study of a straight river widening process, and an analytical solution is proposed in a simple case. In the third section, the linear stability analysis of a straight laminar flume with solid banks is presented. II. A TWO-DIMENSIONAL MODEL Let us consider an experiment during which an initial channel incised into a uniform and non-cohesive sand layer is eroded by a viscous flow. If the slope of the sand bed remains small enough, one may use two-dimensional 2 d v (1) allows us to define the horizontal shear stress vector τ at the bed surface: " u ∂! u "" (2) ≈ 3ρw ν τ = ρw ν " ∂z z=h d u z x h y FIG. 1: Sketch of a riverbed: h is the elevation of the sand surface and d is the water depth. The axes x and z are tilted with respect to horizontal. The Saint-Venant approximation is used for the velocity field u = (u, v). equations to model both the water flow and the sediment transport. A rather general assumption (commonly used in river mechanics) consists in the time-scale separation between the flow and erosion process: the bed evolves slowly enough for the flow to be quasi-static (see [5], [4], [6] and [8]). Of course, this hypothesis fails during such violent events as roll-waves . In the present article the following notations are used (see also figure 1): • x and y are the coordinates in the plane of the experiment, the first aiming toward the main slope. z is the coordinate normal to the plate; • h is the elevation of the sand surface and d is the water depth (η = h + d is thus the water level); • u = (u, v) is the vertically averaged water velocity, the horizontal water flux components being ud and vd; • S is the plate tilt; • g is the magnitude of gravity, and ν is the kinematic viscosity of water. Secondary currents are thus neglected, although many authors believe they strongly influence erosion in developed meanders (see for example [17]). The effect of secondary currents is sometimes taken into account in the shallow water framework by mean of an ad hoc term in sediment transport equations (see [8]). Since the present study is restricted to straight channels, we will hereafter assume that the curvature of the flow remains small enough for the secondary currents to remain negligible (this argument is developed by [18]). This approximation is actually correct for any curvature, provided the Reynolds number is low enough. The vertical integration of the Navier-Stokes equations, associated with (1), leads to the viscous shallow water equations (sometimes named the Saint-Venant’s equations): 3ν 6 (u · ∇)u = g (−∇(d + h) + Sex ) − 2 u, 5 d (3) ∇ · (ud) = 0, (4) where ex is the unit vector parallel to the x-axis. These equations are very similar to those used for turbulent rivers. The only differences lie in the coefficient 6/5 which becomes 1 in the turbulent case, and in the friction term −3νu/d2 which becomes −Cf $u$u/d (Cf being a friction coefficient, related to the Chézy coefficient). One cannot thus expect micro-rivers to be scaled models for natural ones, since the laminar flow equations cannot be reduced to the classical turbulent ones. On the other hand, it is interesting to point out similarities and differences between these two different (although not too far) cases, turbulent and laminar. B. A. The present micro-river model requires that the water flow is laminar, so that it can be approximated by a vertical velocity profile of Nußelt type. For this assumption to hold, the Reynolds number Re = u0 d0 /ν must remain low enough (d0 and u0 are the typical height and ! is thus velocity scales respectively). The water velocity u approached by a parabolic velocity profile which adapts instantaneously to the topography: ! (x, y, z, t) ≈ u Sediment transport Water flow 3 ξ(2 − ξ)(u(x, y, t), v(x, y, t), 0), 2 (1) where ξ = (z − h)/d. This method corresponds to the lubrication approximation. Different approaches may be found in [15] or [16], though in one dimension. Equation The river bed evolves under the influence of both erosion and avalanches. In the present context erosion consists of flow-induced bed-load transport of sand grains. On the other hand, avalanches are collective phenomena triggered by an excess slope of the sand surface. In the continuous model developed here, we can only handle the average effects of erosion and avalanches. This approximation allows for the definition of a total volumic sediment flux q(x, y, t) integrated along the vertical direction. Assuming a strong time scale separation between erosion and avalanches, one may consider the associated fluxes (respectively qe and qa ) as independent. The continuity equation for sand then reads: ∂h = −∇ · q, ∂t (5) 3 where q = qe + qa . Finally, closure relations have to be deduced, either on dimensional, physical or empirical grounds in order to link (5) to the flow equations. Erosion contribution. Most of the relations between the sediment flux and the flow are proposed in the literature as functions of the Shields number θ, which expresses the ratio between hydrodynamic forces exerted on a grain to its apparent weight : θ= $τ$ , ds (ρg − ρw )g (6) where ds , ρw , ρg and τ are respectively the typical particle diameter, the density of water, the density of a grain and the bottom shear stress. As suggested by [19], we propose the following expression as a classical relationship (see the review of [20]) for small slope: # $ τ qe = φ(θ) − G · ∇h , (7) $τ$ where φ is a growing function that may include a threshold value, and G is a diagonal operator. To determine a plausible form for φ(θ) we shall use recent experimental results obtained by Charru, Mouilleron and Eiff for grain transport in the viscous flow regime[14]. Their results on grain transports are partially reproduced on figure 2 and these authors suggest then the following transport law : Np d2s = 0.85 θ(θ − 0.12)H(θ − 0.12), Vs (8) where Np is the particle flux, and Vs is the Stokes settling velocity of a particle (Vs = gd2s (ρs − ρw )/(18νρw )). H is the Heavyside function. Np is linked to q through q = Np V, where V is the volume filled by a particle in the sediment layer. According to this expression, no sediment is transported at Shields number values below a threshold. However, [14] indicates that some particles remain in motion at Shields numbers lower than 0.12 during a transition regime, and will eventually settle after an “armoring time [. . . ] very large compared to the hydrodynamic time scales”. Maybe due to this armoring time ta , their measurements of the sediment flux do not exactly vanish below the threshold (see figure 2). According to [14], a typical dimensionless value for ta is 105 . In the present notations, the ratio between the erosion typical time scale T defined in section III A reads # $β ρw d0 ta 5 γV S = 10 , (9) T ds d20 ρs − ρw ds which is typically much larger than one. The armoring phenomenon is a possible explanation for thresholds in transport laws. Since it occurs at time scales much larger than the erosion ones, it is tempting to use a pure power law function instead of formula (8), as already proposed earlier to model sediment transport under turbulent flow (such as [10] for instance). Such a law may be adjusted to fit the data of [14] (see again figure 2) and it gives: Np d2s = 5.13 θ3.75 . Vs (10) Relations (8) and (10) cannot be in fact clearly separated by the experiments of [14]. Thus, for simplicity reasons, we will use the second one in what follows. This choice will be discussed again in sections III and IV. The above discussion suggests that the sediment transport measurements proposed by [14] should be used with great care when dealing with erosion patterns formation by laminar flows: equilibrium state may not be reached if erosion is intense enough. This question also arises in the study of real rivers, but transient sediment transport is far out the scope of the present study. The general form of the erosion law is then taken as: φ(θ) = φ0 θβ , (11) reminding that φ0 ≈ 5.13 VVs /d2s and β ≈ 3.75 to fit the data of [14]. These values are fixed only as an illustrative case in the sequel. The second term in (7) reproduces the slope-induced deviation of the sediment flux. [10] sets G = γI where γ is a constant of order one. This isotropic approximation is questionable, but should not influence qualitatively the results. This term is mathematically essential to cut-off short wavelength instabilities (see Section IV B). According to the definition of the bottom shear stress (2), the sediment transport equation (7) becomes qe = Ee # $u$ d $β # $ u − γ∇h , $u$ (12) with Ee = φ0 (3ρw ν/(2gr(ρg − ρw )))β . Avalanches. The full dynamics of avalanches is far out the scope of this study. Instead, we may propose a simple model which reproduces the following features: • the sand mass is conserved through the avalanche process; • there are no avalanches under a critical slope α; • above the critical angle, qa is directed toward the main slope and increases with the slope value. Considering these criteria, we propose the following expression : qa = −Ea F ($∇h$) ∇h , $∇h$ (13) where F (·) = (·−α)H(·−α) and Ea is a constant. Indeed, a similar law has been successfully employed for aeolian dunes by [21]. Finally, it is important to notice here that these fluxes qe and qa do not account for the saltating grain dynamics. In a simplified approach, the grains motions would 4 0.03 0.025 0.02 Np ds 2 0.015 """""""""""""""""""""" Vs 0.01 0.005 0 0.1 0.05 0.15 Θ 0.2 0.25 FIG. 2: Different transport laws compared with the experimental results obtained by [14]. The grains are transported by a viscous flow in a circular Hele-Shaw cell. Np is the particle flux, and Vs is the settling velocity of a particle. Dashed : threshold law proposed by [14], Np ds /Vs = 0.85 θ(θ − 0.12)H(θ − 0.12). Solid line : power-law fit, Np ds /Vs = 5.13 θ3.75 . This law will be used as an illustrative case in the present study. end up into a settling distance at which the fluxes develop (see [22] and references herein for a discussion of these terms). It manifests in the dynamics through a phase shift between the shear stress and the fluxes. By sake of simplicity, we do not take into account such a term although it could be implemented easily. Such approximation corresponds somehow to a limit where the density ratio between grains and water is high. In the following, it is in fact remarkable that the instability exists without such phase shift. C. Boundary conditions Flow equations (3) and (4) together with sediment transport equations (5), (12) and (13) form a closed system. To solve this system in the fixed domain Ω, conditions must be specified on its boundary ∂Ω. Their general form writes In the above equations, c is the normal velocity of the frontier ∂Ω+ (t), the subscripts + and − denotes quantities evaluated respectively inside and outside Ω+ (t). d/dt is the convective derivative at a point of ∂Ω+ (t) moving with velocity cn. The first boundary condition reflects the time scale separation between flow and erosion (so that the condition for the normal velocity of the boundary is zero instead of c). The following ones correspond to the sediment mass conservation equations integrated over a small domain crossed by ∂Ω+ (t). A special case of (15) has been derived by [23]. The classical conditions for non-erodible and impermeable banks are obtained from (15) by setting c = 0. In that case, and for turbulent flow, bar instabilities may develop (see [10] for stability analysis and weakly nonlinear theory of bars). The present paper shows that bar instabilities of the same nature may also develop in laminar conditions. To switch from bars to meanders and braids, the condition c = 0 must be relaxed. In a seminal paper, [8] used an empirical estimation of c as a function of the additional stress induced by secondary flows. They also implicitly assumed that the bank material input due to erosion had no influence on the bed evolution (they set q+ · n = 0 despite a finite value for c). They showed that meandering results from the interaction between alternate bars instabilities and the so-called bend instability, which results from the curvature of the bank. For micro-rivers, their hypothesis would not hold, since bed and banks are of the same granular material. The elaboration of a bank evolution law able to model the effect of avalanches is the subject of on-going work. The present stability analysis (section IV) is restricted to channels with rigid banks (c = 0), as were the first equivalent studies in the case of real rivers (see [4]). On the other hand, in the case of a prismatic river (section III), equations are solved on the whole Ω domain, and thus no boundary conditions are required. For the full determination of the solution moreover one has to prescribe global boundary conditions on the upstream and downstream fluxes of water. III. λu d + µu u · n = πu , λh h + µh q · n = πh , where λu , µu , πu , λh , µh and πh are functions to be specified. n is the 2D unit vector normal to ∂Ω, aiming outward. In the general case, Ω may include sub-domains where q = 0. In such domains, the evolution equation becomes ∂h/∂t = 0. If one wants to restrict the analysis to the active subdomain Ω+ (t) where q %= 0, the conditions to be imposed on its mobile boundary ∂Ω+ (t) are u · n = 0, PRISMATIC CHANNELS (14) q+ · n = c(h+ − h− ), dh+ dh− + = −∇ · q+ + c (n · ∇h+ + n · ∇h− ) . (15) dt dt For a straight, x-invariant river, the equations derived in section II turn into a one dimensional non-linear diffusion equation which admits self-similar solutions. The reader interested in the problem of real turbulent river cross-section, a complex two-dimensional problem in the general case, may refer to [23–27] among others. A. A non-linear diffusion equation For a prismatic river, any quantity only depends on time and the transverse coordinate y. The flow equations 5 (3) and (4) thus become u(y, t) = gS d(y, t)2 , 3ν x-axis falls before any equilibrium can be reached, due to bar instabilities ([7] and [29] removed the meandering tendency by using a half-river). To our knowledge, no river-widening experiment where carried out in the laminar regime at a fixed water level. v = 0, d(y, t) + h(y, t) = η(t). (16) B. The water discharge Qw = % ∞ (ud)dy (17) −∞ is usually fixed in experiments, and thus governs the evolution of η(t). For the sake of simplicity, we will consider a different case in what follows. If η instead is fixed, this arbitrary constant may be set to zero (and thus h = −d). This case represents a river supplied by an infinite reservoir. The sediment transport equations (5), (12) and (13) lead to # $ ∂ ∂h∗ ∂h∗ = (−h∗ )β ∂t∗ ∂y∗ ∂y∗ # # $ # $$ 1 ∂ ∂h∗ ∂h∗ − F $ $ sign . (18) -a ∂y∗ ∂y∗ ∂y∗ In the above equation, the starred quantities are dimensionless. The initial depth d0 is the characteristic length. The typical widening time scale is defined by T = d20 γφ0 # ds (ρg − ρw ) ρw Sd0 $β . (19) The non-dimensional number -a = d20 /(T Ea ) compares typical avalanches flux to erosion ones. It will be considered very small in what follows. The non-linear diffusion equation (18) may be solved numerically. A classical first-order finite-volume scheme leads to the solution presented in figure 3 at different times. The initial width is w∗,0 = 2.5, and -a is fixed to 0.1. The value of -a has a weak influence on the result, provided it is small (the same computation performed with -a = 0.01 gives similar results). However, the Courant, Friedrichs, and Levy condition imposes a numerical time step smaller and smaller as the value of -a is reduced. The erosion law is fixed by setting β = 3.75. The influence of any other parameter of the problem, such as the Froude number or the channel slope is embedded in the definition of the time and space scales. Trough erosion, the river widens and gets shallower, while its cross-section area remains constant. This is in qualitative accordance with experiments during which the water outflow was fixed, instead of the water level in the present theory (see [12], [28], [7] and [29]). Since the erosion law (10) presents no threshold, this widening process will never stop in the framework of this model, which may seem unreasonable. Some authors ([7], [29]) managed to reach an equilibrium width, but in most experiments ([12], [13]) the channel invariance along the Self-similar solutions If avalanches are neglected, or if the transverse slope of the channel ∂h/∂y can remain always smaller than the critical slope α (so that no avalanche occurs), the last term of (18) drops. This particular case has simple self-similar solutions of the form h∗ (y∗ , t∗ ) = 1 1/(β+2) t∗ f (χ). (20) 1/(β+2) . Then (18) leads to # $ χf ∂ β ∂f (−f ) = 0. + ∂χ ∂χ β + 2 where χ = y∗ /t∗ (21) If fs is a symmetrical solution to (21), dfs /dχ = 0 at χ = 0, and thus integration of (21) gives fs (χ) = # $1/β ) β − χ2 if χ ∈ [0, A 2(β+2) ] β A − 2(β + 2) 0 elsewhere, (22) where A is a constant. Let A∗ be the (non-dimensional) area of the cross-section. Then % ∞ A∗ = h∗ (y∗ , t∗ )dy∗ 0 1/β+1/2 = −A % 0 q 2(β+2) β # β ξ2 − 1 2(β + 2) $1/β dξ. (23) Thus when avalanches can be neglected, (18) admits a set of self-similar solutions parameterized by their crosssection area. The solution corresponding to A∗ = −2.5 is represented on figure 3. Despite its rectangular initial cross-section, the numerical solution converges towards its self-similar counterpart. This behavior seems quite general: it very weakly depends on the initial conditions or the value of β. Only for β = 1 (that is for an unrealistic linear erosion law) does the self-similar solution behave regularly at the banks. In that case, the river cross-section is a parabola. It width increases as t1/3 while it shallows as t−1/3 . If the initial shape is flat enough to avoid avalanches, this condition holds at any time. Unfortunately this case cannot model erosion patterns formation, since it is unconditionally stable (see section IV). On the other hand, if β > 1 the picture is quite different. The continuous widening process still holds: the 6 consider a rectangular base state with solid-wall boundaries, of width w0 and depth d0 (its aspect ratio is thus R = w0 /d0 ). The boundary conditions at the bank are u · n = 0 and q · n = 0. The basic water velocity is uniform and parallel to the x-axis (u0 = gSd20 /(3ν)), and so is the basic sediment flux (q0 = Ee (u0 /d0 )β ). Let us seek traveling-wave perturbations of this base state: # $ y ϕ(x, y, t) = ϕ0 + -ϕ∗ ei(kx/w0 −ωt/(γT R)) , (24) w0 0 $0.2 t# %1000 $0.4 t# %100 d# $0.6 t# %10 $0.8 t# %1 t# %0 $1 2 4 6 8 y# FIG. 3: Widening of a straight laminar channel through erosion, modeled with (18). Parameter values are "a = 0.1, α = 0.8, and β = 3.75. Solid lines: numerical solutions of (18) at different times (with avalanches). Dashed line: self-similar solution (without avalanches, see section III B) at t∗ = 10, t∗ = 100 and t∗ = 1000. The presence of avalanches seems to influence only a small zone near the bank. The main part of the river section tends to the self-similar solution in any case. width increases as t1/(β+2) , while the depth decreases as t−1/(β+2) . However, in that case the bed slope dh∗ /dy∗ diverges at the banks. Thus avalanches must occur at the banks, and the self-similar solution fails. This tendency is observed in laboratory experiments (see [30] among others), and was already pointed out by [23]. The effect of bank avalanches is difficult to quantify analytically. According to numerical simulations in the case β = 3.75 however (see figure 3), they do not seem to influence strongly the bed evolution far enough from the banks. Consequently one may still consider the results of the self-similar theory as a good approximation of the full system solutions. IV. LINEAR STABILITY Experimental channels such as the one of [12] or [13] often remain stable for a while, then develop meanders which in turn are followed by more complex braided-like patterns. This scenario of transitions (sometimes called ageing) may be interpreted as the successive dominance of different unstable modes. If the widening process presented in the previous section is slow enough, a straight river may be chosen as a quasi static base state for a stability analysis. This is what we will assume in the following, so we will disregard any interaction between widening and instabilities. A. Derivation of the dispersion relation In order to present the simplest stability model which keeps the essential features of channel stability, we will where ϕ = (u, v, h, d, qx , qy ). The base state corresponds to ϕ0 = (u0 , 0, −d0 , d0 , q0 , 0) and the perturbation is ϕ∗ = (u0 u∗ , u0 v∗ , d0 h∗ , d0 d∗ , q0 qx,∗ , q0 qy,∗ ). T = d0 w0 /(γRq0 ) is the characteristic erosion time defined in section III A, and - is a small dimensionless amplitude of the perturbation. k is a real dimensionless wave-number whereas ω is complex in the general case. (3), (4), (12) and (5) lead to the following system: $ # 6 2 F ik + RS u∗ + ikh∗ + (ik − 2RS)d∗ = 0, (25) 5 # $ 6 2 dd∗ dh∗ F ik + RS v∗ + + = 0, 5 dy dy dv∗ = 0, dy ik(d∗ + u∗ ) + −iωh∗ + ikqx,∗ + qx∗ = βu∗ − dqy,∗ = 0, dy ikγ h∗ − βd∗ , R qy∗ = v∗ − γ dh∗ . R dy (26) (27) (28) (29) (30) In the above system, F = u0 /(gd0 )1/2 is the Froude number of the unperturbed channel. Parameters F , S and R may be varied independently in experiments. Indeed, if Qw is the water outflow of the river, then w0 = R *# Qw = 3R 3F ν S # $2 +1/3 1 , g (31) $1/3 (32) 9F 8 ν 5 gS 5 . The full (F, R, S)-space may be explored by tuning the slope of the apparatus, the initial width of the channel and the water outflow. Of course, the validity of the present theory requires the parameters to satisfy some 7 conditions. First, the flow has to be laminar. The low Reynolds number condition can be easily checked: 3F 2 u0 d0 = . (33) ν S Capillarity can also cause the failure of the theory[33]. Near the banks of the channel, capillarity generates a meniscus of characteristic size lc (lc = (Γ/(ρg))1/2 , where Γ is the surface tension). The quantity of water flowing through the meniscus zone should remain negligible as compared to the total outflow. As a crude approximation, the outflow in the meniscus zone Qw,m is evaluated by Poiseuille’s formula : Qw,m ∼ gSlc4 /ν. The condition Qw ( Qw,m thus reads # $4 lc R( . (34) d0 Re = The ratio of the water depth versus the capillary length is given by , ρ -1/2 # F ν $2/3 d0 = 32/3 g 1/6 . (35) lc Γ S Consequently, (34) may be satisfied for any values of R, F and S provided the viscosity of the fluid is high enough[34]. Typical parameters values during the experiment of [12] (carried on with pure water) are Qw = 13 · 10−6 m3 s−1 , S = 0.088 and w0 = 0.1 m. The nondimensional number of the experiment thus are R ≈ 130, F ≈ 2, Re ≈ 130 and d0 /lc ≈ 0.3. Condition (34) was not satisfied in this experiment. However, we expect that the error resulting from this failure should only affect the evaluation of non-dimensional parameters from the experimental data, but the qualitative behavior predicted by the theory should hold. If the linearized transport equations (29) and (30) are used to remove qx,∗ and qy,∗ from the mass conservation equation (28), equations (25) to (28) become a system of four equations with unknowns u∗ , v∗ , d∗ and h∗ . The velocities u∗ and v∗ may then be expressed as functions of d∗ and h∗ through the momentum equations (25) and (26). The conservation of water and sediment mass thus become a system with unknowns d∗ and h∗ , which in turn can be reduced to d4 h∗ d2 h∗ + A + Bh∗ = 0. dy 4 dy 2 (36) In the above equation, . . A = 36F 4 k 3 γ + 30F 2 k − 2k 2 γ / . − ikR(1 + β + 4Sγ) + iRω + 25RS 2ik 2 γ // . . / / + kR(−3 + β − 3Sγ) + Rω / 5 6F 2 k − 5iRS γ , # # # $ 6F 2 γ 1 3 k k γ− + ik 2 R(2β + 3Sγ)+ B= γ 5 $$ / 1 . 2 2 i − 5 + 6F kRω + 3R Sω . (37) 5 The boundary conditions state that both the water velocity and the sediment flux vanishe at the bank. Thus equation (30) implies that # $ # $ dh∗ 1 dh∗ 1 = − = 0. (38) dy 2 dy 2 Equation (26) then leads to dd∗ /dy = 0 at the banks. Equation (25) implies in turn that du∗ /dy = 0 at the banks. Due to equations (29) and (27) respectively, dqx,∗ /dy = 0 and d2 v∗ /dy 2 = 0 at the banks. The sediment mass conservation (28) finally imposes that d2 qy,∗ /dy 2 = 0 at the banks. One may then deduce from the second derivative of equation (30) that # $ # $ d3 h∗ 1 d3 h∗ 1 = − = 0. (39) dy 3 2 dy 3 2 Let s1 , s2 , −s1 and −s2 be the four solutions of the characteristic equation attached to (36), namely s4 + As2 + B = 0. (40) Then, if C1,+ , C1,− , C2,+ and C2,− are four independant constants, h∗ = C1,+ es1 y + C1,− e−s1 y + C2,+ es2 y + C2,− e−s2 y (41) is a solution of (36). Such a solution must satisfy the boundary conditions (38) and (39), that is / . s1 C.1,+ es1 /2 − C1,− e−s1 /2 +/ s.2 C2,+ es2 /2 − C2,− e−s2//2 = 0 s1 C.1,+ e−s1 /2 − C1,− es1 /2 +/ s.2 C2,+ e−s2 /2 − C2,− es2//2 = 0 . (42) s31 C.1,+ es1 /2 − C1,− e−s1 /2 +/ s3 C2,+ es2 /2 − C2,− e−s2 /2 = 0 2 s3 .C e−s1 /2 − C es1 /2 / + 1,− 1 .1,+ / s32 C2,+ e−s2 /2 − C2,− es2 /2 = 0 The determinant of the system 42 reads . /2 4s21 s22 s21 − s22 sinh(s1 ) sinh(s2 ), (43) and vanishes only if s = inπ, where n is an integer (provided s21 and s22 are distinct). The integer n corresponds to the number of roots of h∗ in the width of the river. One may then derive the dispersion relation from (36): . . . / ω = 5kR 5iRS − n2 π 2 (−3 + β) + 2k 2 β . // . / − 6F 2 k 2k 2 β + n2 π 2 (1 + β) − i k 2 + n2 π 2 . 2 /.. / 6F k − 5iRS − 5 + 6F 2 k 2 − 5n2 π 2 / /1. . 2 / − 15ikRS γ R 6F k − 5iRS .. / // − 5 + 6F 2 k 2 − 5n2 π 2 − 15ikRS . (44) If A2 = 4B, then the roots s1 and s2 are equal. Similarly, if A = 0, s1 is the opposite of s2 . In both cases however, the boundary conditions impose again s = inπ, and the dispersion equation (44) is still valid. 8 0.5 '1 0.0 Σ $0.5 $1.0 n%1 $1.5 n%2 $2.0 0.0 0.2 0.4 0.6 0.5 0.8 '2 0.0 Σ $0.5 $1.0 n%1 n%2 $1.5 $2.0 0.0 0.2 0.4 0.6 0.5 0.8 '3 0.0 Σ $0.5 $1.0 n%1 n%2 $1.5 $2.0 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 k FIG. 4: Linear growth rate σ of bed instability in a laminar river, versus the corresponding non-dimensional wave number k. The fixed parameters values are β = 3.75, γ = 1, S = 0.0875. The Froude number and aspect ratio are varied according to a straight river widening (see section IV B and points Σi on figure 5). Above : R1 = 20.3 and F1 = 3.94; middle : R2 = 35.0 and F2 = 3.21; below : R3 = 55.0 and F3 = 2.71. For each set Σi = (Ri , Fi ), the solid curve corresponds to the mode n = 1, whereas the dashed one corresponds to the mode n = 2. The successive dominance of modes provides an interpretation for the transition from alternate bars to braids observed experimentally by [12]. B. Results interpretation The linear stability of a channel depends on the sign of the maximum growth rate over n and k, respectively the transverse and longitudinal wave-numbers. We will thus focus on the imaginary part σ of ω in what follows. Let σm be the maximum growth rate, and km and nm the corresponding wave-numbers (i.e. σm = σ(km , nm ) = maxk∈R,n∈N (σ)). The transverse wave-number n characterizes the instability pattern: n = 0 for y-invariant dunes (this mode can also initiate step-pool instability), n = 1 for meanders and n > 1 for braided patterns. The present theoretical framework fails to predict the steppool instability often observed in narrow channels [31], as σ is always negative for n = 0. This is not surprising for the phase-shift between the bed deformation and the water shear stress is neglected here (this phase shift controls sand ripple formation, see for instance [22]). For higher modes, on the other hand, a positive growth rate is possible (see figure 4), despite the lubrication approximation. This indicates that the instability mechanism governing bars formation is different than the phase shift induced by the advection term in the case of dunes and ripples. The fluid and sediment choices determine parameters γ and β. Both parameters are crucial to the present model. The diffusion term which is proportional to γ stabilizes the high n modes. Without it, the higher n, the higher σm . As in [10], we take γ = 1 in the following. If β = 1, that is if the sediment flux is proportional to the shear stress, then no instability ever appears (again σ is always negative in that case). Instability may occur only if β > 1. β = 3.75 is chosen hereinafter as an illustrative case (see section II B). Figure 4 illustrates the transition to bed instability as the aspect ratio is increased, for constant tilt and Froude number. A deep and narrow channel is stable, as for no values of n and k can σ be negative. A shift to a larger aspect ratio value allows for the n = 1 mode to be unstable. For a still wider channel, both n = 1 and n = 2 modes are unstable, but the latter grows faster. These transitions can be summarized in a three-dimensional phase diagram, with coordinates R, F and S. A constant S slice of this diagram is presented in figure 5. The borders between domains are characterized by the following relations (σm,n is the maximum growth rate corresponding to mode n): • σm,1 = 0 between the stable domain and the mode 1 domain; • σm,1 = σm,2 between the mode 1 domain and the mode 2 domain; • σm,2 = 0 between the stable domain and the mode 2 domain. Each point of the curves represented on figure 5 was obtained by numerical maximization of the dispersion equation. The most surprising feature appearing on the diagram of figure 5 is that bars can be unstable even for vanishing Froude number (and thus for vanishing Reynolds number). In that case, inertia is completely neglected. In other words, bars may develop in a purely viscous flow, which is impossible for dunes and ripples. Since a purely viscous flow can present no transverse recirculation, the above statement proves that neither turbulence nor recirculation are inherently linked to bar formation. The same diagram also provides a crude interpretation for the aging of laminar laboratory rivers. Let us consider for example the case of section III, for which the mean water level is fixed, while its bed and banks are freely eroded. If we assume a quasi-static evolution of the bed width so that the stability analysis for fixed wall can be roughly used, we can draw a schematic scenario for the river deformation. Thus, the tilt S remains constant throughout the experiment whereas, in accordance 9 with (22), the Froude number and aspect ratio evolve as follows: R ∝ t2/(β+2) , F ∝ t3/(2(β+2)) . (45) This parameterized curve correspond to F = F0 (R/R0 )3/4 in the stability diagram (the subscript 0 denotes initial conditions). In most cases this curve comes successively through the three stability domains of figure 5, allowing for the successive development of different bars modes . If the water output is conserved instead of the water level (this condition is more common in experiments), the straight channel evolution is characterized by −3/8 F = F0 (R/R0 ) . (46) Again, for realistic initial conditions (R0 = 20.3 and F0 = 3.21 in the experiment of [12]), the river undergoes different instability regimes as it ages. The three points Σi drawn on figure 5 would then represent three different states of the same experiment, extrapolated from the initial condition using (46). The corresponding growth rate are plotted in Figure 4. When the highest growth rate of the first mode crosses zero, alternate bars appear, eventually replaced by higher order modes, leading to braided patterns. If a threshold is introduced in the erosion law, the river eventually reaches an equilibrium state. The position of this equilibrium in the stability diagram is an indication about the instability patterns the river will preferentially develop. For instance, we may expect that a river will develop meanders if its equilibrium state lies in the domain where the n = 1 mode is the most unstable one. V. mode (n = 1) at small (or even null) Froude number. This illustrates the sound difference between bars and dunes or ripples, which need inertia to grow. The use of a fluid more viscous than water in experiments would allow to reach very low Froude numbers, 4 ( '1 Mode 1 ( '2 3 ( '2 R $3!8 F 2 Larger Modes R 3!4 1 Stable Mode 1 0 0 50 100 150 R FIG. 5: Stability diagram for a laminar channel. The domains (separated by solid lines) are named after the most unstable mode between n = 1 and n = 2. The parameters values are β = 3.75, γ = 1 and S = 0.0875. The dashed lines represent the evolution of a straight river when the water level is imposed (F = F0 (R/R0 )3/4 ) or when the outflow is imposed (F = F0 (R/R0 )−3/8 ). The three points Σi correspond to the three cases presented in figure 4. CONCLUSION The present paper demonstrates that the equations governing the evolution of laminar micro-rivers are very similar to their counterpart in the turbulent case. Experimental evidence of this similarity are collected in [11]. This results suggests that micro-rivers could facilitate the examination of some remaining difficulties of river morphodynamics, such as non-linearities or bank evolution. In a first attempt to develop viscous channel widening and stability theory, we presented a two dimensional shallow-water model. A very simplified analytical approach based on this model was sufficient to describe qualitatively the aging process observed in some experiments. A diagram presenting the dominant unstable modes with respect to the channel tilt, Froude number and aspect ratio was obtained (figure 5), which shows a large domain of existence for the meandering [1] G. de Marsily, F. Delay, G. J., P. Renard, V. Teles, and S. Violette, Hydrogeol. J. 13, 161 (2005). while reducing the perturbing effect of capillarity. The consecutive reduction of the Reynolds number would prevent recirculation, thus allowing the experimental separation between the effects of recirculation and bars instability. The relaxation of the rigid banks hypothesis requires the development of bank erosion models, able to take avalanches into account. Such an improvement, associated with numerical simulation, would allow to test the laminar Shallow-water theory against experiments in conditions closer to natural rivers. It is our pleasure to thank B. Andreotti, P. Claudin, A. Fourrière, E. Lajeunesse, D. Lhuillier, L. Malverti, F. Métivier and G. Parker for inspiring and stimulating discussions. [2] A. Reynolds, J. Fluid Mech. 22, 113 (1965). 10 [3] E. Hansen, Basic Research Report 13, Copenhagen Technical University of Danemark (1967). [4] R. A. Callander, J. Fluid Mech. 36, 465 (1969). [5] G. Parker, J. Fluid Mech. 76, 457 (1976). [6] F. Engelund and O. Skovgaard, J. Fluid Mech. 57, 289 (1973). [7] S. Ikeda, G. Parker, and K. Saway, J. Fluid Mech. 112, 363 (1981). [8] P. Blondeaux and G. Seminara, J. Fluid Mech. 157, 449 (1985). [9] M. Colombini, G. Seminara, and M. Tubino, J. 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Gustavo Düring,1 Christophe Josserand,2 and Sergio Rica1,3 1 2 Departamento de Fı́sica, Universidad de Chile, Blanco Encalada 2008, Santiago, Chile Laboratoire de Modélisation en Mécanique, CNRS UMR 7607, Case 162, 4 place Jussieu, 75005 Paris, France 3 LPS-ENS, CNRS UMR 8550, 24 Rue Lhomond, 75231 Paris Cedex 05, France (Received 24 December 2005; published 14 July 2006) We study the long-time evolution of waves of a thin elastic plate in the limit of small deformation so that modes of oscillations interact weakly. According to the theory of weak turbulence (successfully applied in the past to plasma, optics, and hydrodynamic waves), this nonlinear wave system evolves at long times with a slow transfer of energy from one mode to another. We derive a kinetic equation for the spectral transfer in terms of the second order moment. We show that such a theory describes the approach to an equilibrium wave spectrum and represents also an energy cascade, often called the KolmogorovZakharov spectrum. We perform numerical simulations that confirm this scenario. DOI: 10.1103/PhysRevLett.97.025503 PACS numbers: 62.30.+d, 05.45.!a, 46.40.!f Introduction.—For more than 40 years it has been established that long-time statistical properties of a random fluctuating wave system possess a natural asymptotic closure because of the dispersive nature of the waves and of the weakly nonlinear interaction between them [1,2]. This ‘‘weak turbulence theory’’ has been shown to be a powerful method for studying the evolution of nonlinear dispersive wave systems [3,4]. It follows that the long-time dynamics is driven by a kinetic equation for the distribution of spectral densities. This method has been applied to surface gravity waves [1,5], capillary waves [6], plasma waves [7], and nonlinear optics [8] for instance. The actual kinetic equation has nonequilibrium properties similar to the usual Boltzmann equation for dilute gases, conserving energy and momentum, and it exhibits an H theorem driving the system to equilibrium, characterized by the Rayleigh-Jeans distribution. Most important, besides the elementary equilibrium (or thermodynamic) solution, Zakharov has shown [7] that power-law nonequilibrium solutions also arise, namely, the Kolmogorov-Zakharov (KZ) solutions or KZ spectra, which describe the exchange of conserved quantities (e.g., energy) between large and small length scales. Experimental evidence of KZ spectra have been found in the ocean surface [9] and in capillary surface waves [10 – 12]. Numerical simulations have also shown the existence of KZ spectra in weak turbulent capillary waves [13] and, more recently, in gravity waves [14]. In this Letter an oscillating thin elastic plate is considered [15]. Adding inertia to the well known (static) theory of thin plates, one finds the existence of ballistic dispersive waves [16]. They interact via the nonlinear terms that are weak if the plate deformations are small. Understanding the interaction between these waves is thus crucial to describe acoustical properties of the plates. In fact, nonlinear solitary waves have been observed on the surface of a cylindrical shell that show balance between nonlinear effects and dispersion [17]. However, we develop here the first weak turbulence theory for the surface deflection on 0031-9007=06=97(2)=025503(4) plate dynamics. We find that the bending waves travel randomly through the system and interact resonantly between each other via the weak nonlinearities. The mathematics behind the resonant condition is formally identical to the conservation of energy and momentum in a classical gas. In this sense an elastic plate is formally equivalent to a 2D gas of classical particles interacting with a nontrivial scattering cross section. An isolated system evolves from a random initial condition to a situation of statistical equilibrium as a gas of particles does. In addition to statistical equilibrium for isolated systems, the weak turbulence theory predicts here an energy cascade from a source of energy (a driving forcing) to a dissipation scale typical of irreversible processes. More precisely, we have in mind an elastic thin plate under an external low frequency (few times the slowest plate mode) random forcing. Typically the gravest mode for a 10 " 10 cm2 free bounded steel sheet of 0.1 mm thick is about 50 Hz and is a bit higher for a clamped sheet. Internal resonance among modes buildup an energy cascade from the injection scale to small scales where it is ultimately dissipated mostly because of the boundaries, the air entraintement, viscoelastic flows, or heat transfer. A genuine cascade should setup if dissipation occurs at small scales only. One needs to be careful concerning the heat transfer since the damping coefficient does not depend on the oscillation frequency there. However, heat loss is a weak effect and can be in general neglected (see section 30 in Ref. [18]): indeed, for the above example, the heat loss time scale is about 15 times smaller than the slowest oscillation at room temperature. As in fluids, viscosity in solids acts only at small scale. Finally, in a real experiment the boundaries play an important role because of the finite value of the experimental setup impedance. Such a damping coefficient grows linearly with wave number and is probably the most relevant source of dissipation. Therefore, it seems possible that energy cascades from the scale of the plate to the dissipation scale. 025503-1 2006 The American Physical Society Moreover, while there is often a lack of direct observations of weak turbulence predictions, we exhibit numerically relaxation to equilibrium and energy cascade for the plate dynamics, confirming the scenario presented above. The plate dynamics is illustrated in Fig. 1 for an isolated system where the plate deformations are shown at initial time and after a long evolution. Theory.—The starting point is the dynamical version of the Föppl–von Kármán equations [18] for the plate deformation !#x; y; t$ and the stress function "#x; y; t$: # @2 ! Eh2 !2 ! & f!; "g; % ! @t2 12#1 ! $2 $ 1 1 2 ! " % ! f!; !g; 2 E (1) (2) where h is the thickness of the elastic sheet. The material has a mass density #, a Young’s modulus E, and a Poisson ratio $. ! % @xx & @yy is the usual Laplacian and the bracket f'; 'g is defined by ff; gg ( fxx gyy & fyy gxx ! 2fxy gxy , which is an exact divergence, so Eq. (1) preserves theR momentum of the center of mass, namely @tt !#x; y; t$dxdy % 0. The first term on the right-hand side of (1) represents the bending while the second one f!; "g, together with Eq. (2), represents the stretching [19]. Despite the complexity of Eqs. (1) and (2) the system presents a Hamiltonian structure that is straightforward in Fourier Defining the Fourier transforms as !k #t$ % R space. 1 ik'x ) ), then one gets from !#x; t$e d2 x (with !k % !!k 2% E Eq. (2): "k #t$ % ! 2jkj4 f!; !gk , where f!; !gk is the Fourier transform of f!; !g. The final equation is a nonlinear oscillator with the usual ballistic dispersion relation of bending p!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! waves !k % hcjkj2 % hck2 [c % E=12#1 ! $2 $# has the dimension of a velocity] [16,18]: Z @2 ! Eh2 k4 # 2k % ! ! V!k;k2 ;k3 ;k4 !k2 !k3 !k4 $ #k ! k @t 12#1 ! $2 $ 2 ! k2 ! k3 ! k4 $d k2;3;4 ; 2 2 jk1 "k2 j jk3 "k4 j E and d2 k2;3;4 ( where V12;34 % 2#2%$ 2 jk1 &k2 j4 d2 k2 d2 k3 d2 k4 . The Hamiltonian structure becomes evident if we define as canonical variables the deformation !k #t$ and the momentum pk #t$ % #@t !k #t$. Finally, the canonical transformation !k % pX!!2k #Ak & A)!k $ and pk % 8 ζ (x,y) 8 1 ! ! p!!2iX #Ak ! A)!k $ with Xk % p!!!!!! !k # allows us to write the k k wave equation in a diagonalized form: dA dt & i!k Ak % iN3 #Ak $, where N3 #'$ is the cubic nonlinear term. Weak turbulence theory.—This nonlinear oscillator has two distinct time scales, the rapid oscillation i!k Ak and the weak nonlinearity: iN3 #Ak $. Then, following the approach of [4], one changes Ak % ak #t$e!i!k t which removes the rapid linear oscillating term: X Z dask % !is J!kk1 k2 k3 eit#s!k !s1 !k1 !s2 !k2 !s3 !k3 $ dt s1 s2 s3 " as11 as22 as33 $ #k1 & k2 & k3 ! k$d2 k123 ; " $ #p1 & s1 k1 & s2 k2 & s3 k3 $d2 k123 : neq k % T=!k ; -8 y 10 x 20 -8 y 10 0 20 30 10 x 10 20 30 FIG. 1. Zoom over a portion of the surface plate deflection !#x; y$. The left-hand image is the initial condition while the right-hand one represents a long-time evolution of the plate. (4) As for the usual Boltzmann equation, Eq. (4) conserves ‘‘formally’’ [20] the total momentum per unit area P % R h R knk #t$d2 k and the kinetic energy per unit area E % 2 k, and exhibits an H theorem: let S#t$ % h R !k nk #t$d 2 ln#nk $d k be the nonequilibrium entropy, then dS=dt * 0, for increasing time. However, despite the four waves interaction type kinetic Eq. (4), the ‘‘wave action’’ N % R nk #t$d2 k is not conserved. The kinetic Eq. (4) describes thus an irreversible evolution of the wave spectrum towards the Rayleigh-Jeans equilibrium distribution which reads, when P % 0: 30 -4 30 20 (3) where we define ask with the two possible choices s % & or ! relative to the propagation direction, such that a& k ( ak ) . The interaction term reads: J while a! ( a k1 ;k2 ;k3 ;k4 % k !k 1 6 Xk1 Xk2 Xk3 Xk4 P 234 Vk1 ;k2 ;k3 ;k4 , where P 234 is the sum over the six possible permutations between 2, 3, and 4. The next step consists of writing a hierarchy of linear equations for the averaged moments: hask11 ask22 i, hask11 ask22 ask33 ask44 i, etc. A multiscale analysis provides a natural asymptotic closure for higher moments: the fast oscillations drive the system close to Gaussian statistics and higher moments are written in terms of the second order moment: hak1 a)k2 i % nk1 $ #k1 & k2 $, where nk is called the wave spectrum. The wave spectrum thus satisfies a Boltzmann-type kinetic equation describing a slow exchange of energy from one mode to another through four waves resonance: " Z X dnp1 1 s % 12% jJp1 k1 k2 k3 j2 nk1 nk2 nk3 np1 & 1 np1 nk1 dt s1 s2 s3 # s s & 2 & 3 &#!p1 & s1 !k1 & s2 !k2 & s3 !k3 $ nk2 nk3 0 0 -4 0 ζ(x,y) 4 4 week ending 14 JULY 2006 PHYSICAL REVIEW LETTERS PRL 97, 025503 (2006) (5) here T is called, by analogy with thermodynamics, the ‘‘temperature’’ (with units of energy/length, i.e., a force), which is naturally related to the initialRenergy by E 0 % R R h !k neq d2 k % hT d2 k. The quantity d2 k is the number of degrees of freedom per unit surface. Therefore each degree of freedom takes the same energy: hT. Naturally, 025503-2 PRL 97, 025503 (2006) PHYSICAL REVIEW LETTERS for an infinite system this number diverges (as well as the energy). This classical Rayleigh-Jeans catastrophe is always suppressed due to some physical cutoff discussed above. Numerical simulations on regular grid provide also a natural cutoff kc % %=dx, where dx is the mesh size, which gives E 0 % %hTk2c for a large plate. Kolmogorov spectrum.—In addition, isotropic nonequilibrium distribution solutions can arise [7]. They have a major importance in the nonequilibrium process for the energy transfer between different scales. These solutions can be guessed via a dimensional analysis argument but they are, in fact, exact solutions of the kinetic equation. Despite some differences with the usual kinetics equation, the Zakharov method can be applied here. Assuming an isotropic spectrum nk ( njkj and integrating over the angles the scattering amplitude jJk1 k2 k3 k4 j2 $ #k1 & k2 & k3 & k4 $, the new scattering amplitude depends only on the modulus ki % jki j, and it can be written as a function of R jJk1 k2 k3 k4 j2 the frequencies !ki : S!1 ;!2 ;!3 ;!4 % 16 P 234 d’4 . jk2 "k3 j Since the degree of homogeneity of jJj2 in k is zero, S scales as 1=k2 + 1=!k . Looking for a power-law solution nk % A!!' k , the eight terms of the collisional integral in the right-hand side of (4) decompose into 3Coll2$2 & Coll3$1 , defined by Colls % 3%A3 Z S!k ;!1 ;!2 ;!3 #!' & s!'1 ! !'2 ! !'3 $ 2#hc$3 "s !'k !'1 !'2 !'3 k $ " #( " #( " #( % ! ! ! " 1&s 1 ! 2 ! 3 d!2 d!3 : !k !k !k Here ( % 3' ! 2. For Coll2$2 one has that s ( 1 and the integration domain is over "& % f0 , !2 , !k ; !k ! !2 , !3 , !k g and !1 % !2 & !3 ! !k , while for Coll3$1 one has that s ( !1 and the integration is over "! % f0 , !2 , !k ; 0 , !3 , !k ! !2 g, with !1 % !k ! !2 ! !3 . The collisional terms scale as Coll2$2 % and Coll3$1 % C! #'$!1!3' . The coeffiC& #'$!1!3' k k cients C- #'$ are pure real functions depending only on '. Although, the explicit form of the scattering matrix S!1 ;!2 ;!3 ;!4 is not simple, its value can be bounded in both domains "- and the collision term converges for suitable values of ' 2 #0:5; 1:2$ validating the locality condition. Both coefficients vanish with double degeneracy 1 1 at ' % 1 indicating that the KZ spectrum: nKZ k + !k + k2 coincides with the Rayleigh-Jeans solution, Eq. (5). It means, in fact, that the energy flux is zero. The double degeneracy at ' % 1 reveals the existence of a logarithmic correction, similarly to the case of the nonlinear Schrödinger equation (NLS) in two dimensions [8]. As stated in Ref. [21] the logarithmic correction produces a divergent result for NLS. In our case, it is possible to show that all integrals are finite, indicating a finite energy flux [22]. Thus one has nKZ k %C week ending 14 JULY 2006 hP1=3 #2=3 ln1=3 #k) =k$ ; k2 .12#1 ! $2 $/2=3 (6) where P is the energy flux. C and k) are real numbers. For ' % 0 and 3' ! 2 % 0 the collisional part Coll2$2 also vanishes. This solution corresponds to the wave action equipartition (' % 0) with a second KZ spectrum nk + related to wave action inverse cascade. However, 1=!2=3 k this spectrum does not vanish the second part of the collision term Coll3$1 , in agreement with the nonconservation of the wave action mentioned above. In conclusion there exist only a single cascade: the energy cascade (6). Numerical simulation.—Numerical simulations of the full nonlinear system of Eqs. (1) and (2) are first performed to validate the formation of the equilibrium spectrum Eq. (5). In all the presented results c % 1 and h % 1=2 so that the linear plate size is the only parameter of the numerics. We have implemented a pseudospectral scheme using FFT routines [23], with periodic boundary conditions: the linear part of the dynamics is calculated exactly _ in Fourier space: !k #t & !t$ % !k #t$ cos#!k !t$ & !!k #t$ " k sin#!k !t$. The nonlinear terms in (1) and (2) are first computed in real space and the integration in time is then performed in Fourier space using an Adams-Bashford scheme. It interpolates the nonlinear term of (1) as a polynomial function of time (of order one in the present calculations). Energy is conserved within a 1=100 relative error. As initial conditions, we have taken: !k % 2 2 !0 e!k =k0 ei’k with ’k a random phase, and a zero velocity field !_ k % 0. As time evolves, the random waves oscillate with a disorganized behavior, as shown in Fig. 1. After a long time the system builds up an equilibrium distribution in agreement with the Rayleigh-Jeans nk + T=k2 spectrum. nk That is, for the plate deflection hj!k j2 i % Xk2 nk % #! % k T as shown in Fig. 2. #h2 c2 k4 Nonequilibrium distributions can also be observed numerically. One requires to input energy and pump wave action at low wave numbers (k < kin ) and to dissipate energy at large ones (k > kout ) defining a window of transparency kin < k < kout . This artifact is implemented by adding a term #Fk ! )k !_ k $ to the plate Eq. (1). Following [14] the forcing term Fk is a nonzero random force for k < kin , and )k is a fictitious linear damping for short length scales. Figure 3 shows a good agreement with the predicted KZ spectrum Eq. (6) with an exponant for the logarithmic correction 1=3 (inset of Fig. 3). Conclusions.—We have successfully applied weak turbulence theory for the new case of elastic thin plates. The results allow for an analogy between an important property of fluid dynamics and the mechanics of elastic plates. Numerical simulations exhibit both the convergence towards statistical equilibrium for a free system and an energy cascade when forcing and dissipation are introduced, as predicted by the weak turbulence analysis. An important consequence is the nonexistence of an inverse 025503-3 PHYSICAL REVIEW LETTERS PRL 97, 025503 (2006) 100 | ζ k| regimes, as seemingly observed in [27], the expected spectrum should follow j!k j2 + 1=k6 . The authors are grateful to E. Cerda for attracting our attention to this problem, A. C. Newell for suggesting the title, and A. Boudaoud, E. Hamm, and L. Mahadevan for the communication of their experimental results prior to publication. This work was supported by FONDECYT and Anillo de Investigación Act. 15. 2 1 -4 0.01 1×10-4 1×10-6 ∫ nk (t) d 2k 0.5 1×10-8 week ending 14 JULY 2006 0.4 0.3 1×10-10 0.2 1×10-12 0.1 1×10-14 0.01 200 0 400 600 800 t 1000 k 0.1 1 10 FIG. 2 (color online). Numerical simulation for a 512 square plate using 10242 modes with a mesh size dx % 1=2. The initial condition is with k0 % 1 and !0 % 0:02. We plot the power spectrum of the mean deflection hj!k j2 i versus wave number k after 1200 time units. The line plots the Rayleigh-Jeans power law 7 " 10!6 =k4 which gives T 0 2 " 10!6 in agreement with the equipartition of the initial energy. The inset plots the evolution of the wave action with time. cascade nk + 1=k4=3 , as usually found for four wave interaction systems such as gravity waves or NLS. The results presented here suggest also a new experimental way of studying weak turbulence through the analysis of the waves produced by the plate oscillations [24]. For large deformations the elastic plate equations are still valid, but stretching cannot be longer treated as a weak perturbation and a ‘‘wave breaking’’ phenomenon is expected: energy focuses into localized structures as ridges [25] and conical surfaces (named d-cones) [26]. Amazingly, a regime dominated by ridges shows a power spectrum j!k j2 + 1=k4 similar to the weak turbulence spectrum derived here. On the other hand for d-cone-dominated 1 | ζ k| 2 Out In 1×10-5 1×10-10 1×10-15 1×10-20 -4 0.0001 | ζk| 2k 4 1×10-5 1/3 1×10-6 0.01 1×10-25 0.1 0.1 1 10 1 log(k* /k) 10 k FIG. 3 (color online). Average power spectrum hj!k j2 i for the energy cascade. The injection scale is kin 2 #0:1; 0:25$ while the dissipation is at kout % 3. The line plots the power law 1=k4 . Inset plots k4 hj!k j2 i vs log#k) =k$ in logarithmic scale with k) % kout . The straight line corresponds to z % 1=3. [1] K. Hasselmann, J. Fluid Mech. 12, 481 (1962); 15, 273 (1963). [2] D. J. Benney and P. G. Saffman, Proc. R. Soc. A 289, 301 (1966). [3] V. E. Zakharov, V. S. L’vov, and G. Falkovich, Kolmogorov Spectra of Turbulence I (Springer, Berlin, 1992). [4] A. Newell, S. Nazarenko, and L. Biven, Physica D (Amsterdam) 152–153, 520 (2001). [5] V. E. Zakharov and N. N. Filonenko, Dokl. Akad. Nauk SSSR 170, 1292 (1966). [6] V. E. Zakharov and N. N. Filonenko, Zh. Tekh. Fiz. 5, 62 (1967). [7] V. E. Zakharov, Zh. Eksp. Teor. Fiz. 51, 686 (1966). [8] S. Dyachenko et al., Physica D (Amsterdam) 57, 96 (1992). [9] P. A. Hwang et al., J. Phys. Oceanogr. 30, 2753 (2000). [10] W. Wright, R. Budakian, and S. Putterman, Phys. Rev. Lett. 76, 4528 (1996). [11] E. Henry, P. 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[22] The main difference with Ref. [8] arises because in the present case the scattering matrix vanishes on the lines !2 % !3 % !4 % 0, ensuring convergence. [23] FFTW: www.fftw.org. [24] A. Boudaoud and E. Hamm (private communication). [25] T. A. Witten and H. Li, Europhys. Lett. 23, 51 (1993). [26] M. Ben Amar and Y. Pomeau, Proc. R. Soc. A 453, 729 (1997); E. Cerda and L. Mahadevan, Phys. Rev. Lett. 80, 2358 (1998). [27] L. Mahadevan (private communication). 025503-4 Bibliographie [1] C. Almarcha, P. Clavin, L. Duchemin, and J. Sanz. Ablative rayleigh-taylor instability with strong temperature dependence of thermal conductivity. J. Fluid Mech, 579 :481–492, 2007. [2] A. Antkowiak, N. Bremond, S. Le Dizès, and E. Villermaux. Short-term dynamics of a density interface following an impact. J. Fluid Mech, 577 :241, 2007. [3] R.A. Bagnold. The physics of blown sand and desert dunes. Dover Publications, 2005. [4] G. R. Baker, D. I. Meiron, and S. A. Orszag. 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