Thèse Bulles en Surface d'Eau Écoulements Échanges Thermiques et Dynamique d'Éclatement H/F

Doctorat.Gouv.Fr

Établissement : Université Paris Cité
École doctorale : Physique en Ile de France
Laboratoire de recherche : Matière et Systèmes Complexes
Direction de la thèse : Ambre BOUILLANT ORCID 0000000151534422
Début de la thèse : 2026-10-01
Date limite de candidature : 2026-04-15T23:59:59

Les bulles à la surface des liquides jouent un rôle majeur aussi bien dans l'environnement que dans de nombreux procédés industriels. Leur éclatement génère des aérosols (gouttelettes projetées dans l'air) qui influencent les échanges de chaleur et de matière entre l'océan et l'atmosphère et participent aux mécanismes de formation des nuages. Dans les mousses, la stabilité des bulles conditionne également la durabilité et les propriétés de nombreux matériaux et formulations. Comprendre la stabilité, le drainage et la rupture des bulles de surface constitue donc un enjeu scientifique important. Pourtant, le cas des bulles formées dans des liquides purs volatils reste encore mal compris, en particulier parce qu'il implique un couplage fort avec l'environnement via l'évaporation et les transferts thermiques. Ce couplage contrôle en effet l'évolution du film liquide formant le dôme de la bulle et conditionne à la fois sa durée de vie et son mode de rupture.
Nous avons récemment mis en évidence que des bulles à la surface de certains liquides organiques volatils peuvent être stabilisées par des écoulements thermo-capillaires ascendants (écoulements de Marangoni), générés par le refroidissement induit par l'évaporation : le sommet de la bulle est plus froid que sa base, thermostatée par le bain liquide sous-jacent. Ces écoulements thermo-induits ont deux conséquences majeures : d'une part, ils remontent du liquide le long de la bulle et s'opposent au drainage, prolongeant ainsi le temps de vie ; d'autre part, ils entraînent et dispersent les vapeurs produites au voisinage de la bulle, accélérant leur renouvellement et pouvant augmenter le taux d'évaporation du liquide sous-jacent jusqu'à un facteur dix.
Ces résultats soulèvent plusieurs questions fondamentales qui seront au centre de cette thèse. La dynamique et la morphologie du film mince coiffant la bulle restent mal comprises : les flux ascensionnels accumulent du liquide au sommet de la bulle, qui retombe sous la forme d'une larme épaisse, dont la forme, l'évolution temporelle et le couplage avec la vapeur sus-jacente restent à élucider. Par ailleurs, la stabilisation thermo-capillaire n'a jusqu'ici été étudiée que pour certains alcanes et quelques alcools. Quelles conditions (taille des bulles, propriétés thermophysiques, etc.) permettent l'activation de ce moteur auto-induit ? S'agit-il d'un mécanisme universel ou restreint à certains liquides ? En particulier, peut-on l'étendre aux bulles à l'interface eau-air, un système à la fois plus universel et sensiblement plus complexe ?
L'eau présente en effet des spécificités majeures par rapport aux liquides organiques étudiés jusqu'ici : une vapeur plus légère que l'air, qui modifierait la convection au-dessus de la bulle ; des bulles peu stables ; et une tension de surface élevée, rendant l'interface particulièrement sensible aux traces de surfactants. Cette thèse vise ainsi à établir des critères généraux gouvernant la stabilisation thermo-capillaire des bulles de surface et à explorer en détail le cas singulier de l'eau. En particulier, on s'attardera à modéliser la dynamique du film mince en présence d'effets thermo-capillaires, quantifier le couplage entre évaporation et transferts thermiques, déterminer les critères d'existence et l'intensité du régime thermo-capillaire, et analyser le mode de rupture du film. Enfin, le projet étendra l'étude à des configurations multi-bulles afin d'examiner les effets collectifs (redistribution du liquide, interactions hydrodynamiques, modification des flux évaporatifs) pour aller vers des mousses de surface modèles.

Les bulles à la surface des liquides jouent un rôle majeur aussi bien dans l'environnement que dans de nombreux procédés industriels. Leur éclatement génère des aérosols (gouttelettes projetées dans l'air) qui influencent les échanges de chaleur et de matière entre l'océan et l'atmosphère et participent aux mécanismes de formation des nuages. Dans les mousses, la stabilité des bulles conditionne également la durabilité et les propriétés de nombreux matériaux et formulations. Comprendre la stabilité, le drainage et la rupture des bulles de surface constitue donc un enjeu scientifique important. Pourtant, le cas des bulles formées dans des liquides purs volatils reste encore mal compris, en particulier parce qu'il implique un couplage fort avec l'environnement via l'évaporation et les transferts thermiques. Cette thèse étudiera l'effet de l'évaporation sur la dynamique du film liquide formant le dôme de la bulle, en particulier son influence sur la durée de vie de la bulle et son mode de rupture.

cf Contexte scientifique

Imagerie à la caméra conventionnelle ou rapide
Imagerie Schlieren
Interférométrie
Spectrophotométrie
Traitement des images et des signaux