On the physics of fizzing: How bubble bursting controls droplets ejection

Bubbles at a free surface surface usually burst in ejecting myriads of droplets. Focusing on the bubble bursting jet, prelude for these aerosols, we propose a simple scaling for the jet velocity and we unravel experimentally the intricate roles of bubble shape, capillary waves, gravity and liquid properties. We demonstrate that droplets ejection unexpectedly changes with liquid properties. In particular, using damping action of viscosity, self-similar collapse can be sheltered from capillary ripples and continue closer to the singular limit, therefore producing faster and smaller droplets.These results pave the road to the control of the bursting bubble aerosols

Surface libre hors équilibre : de l'effondrement de cavité aux jets étirés

This thesis deals with the dynamics of jets and liquid projections occuring when a cavity collapses at a free surface. A full range of scales will be investigated: from submilimetric cavitis to decimetric ones. The jet velocity dependence with cavity size and liquid properties allow us to establish the right scaling laws and thus to point out the relevant physical mecanisms at play. In a first chapter, jets are created by the bursting of small bubbles: the cavity collapses because of capillary forces. We highligthed the counterintuitive role of both gravity and viscosity. This mecanism gives birth to aerosols, which have been characterized from their size to their evaporation. In a second chapter, we considered the gravity-fed equivalent: a model experiment was set up to study jets from relaxing centimetric cavity shaped by blowing air at a free surface. We evidenced an unusual dynamics revealing the liquid focalisation in the jet and a localized dissipation at the base of the jet. A comparison of those model jets with the ones ejected after a solid objet impacts a viscous liquid was then performed. In the third chapter, we studied experimentally and theoretically the velocity field of inertial stretched jets. The inertial velocity z/t (with z the position in the jet et t the time) commonly used has been investigated depending on the jet feeding at its base.Cette thèse traite de la dynamique des jets et projections liquides faisant suite à l'effondrement de cavités à la surface libre. Une large gamme d'échelle sera considérée : des cavités submillimétriques à décimétriques. La dépendance de la vitesse d'éjection du jet avec la taille de cavité et les propriétés du liquide nous permet de déterminer les lois d'échelle pertinentes et ainsi d'extraire l'essence des mécanismes physiques en jeu. Dans une première partie, les jets sont créés par l'éclatement de petites bulles : la force motrice qui permet de combler la cavité est alors la capillarité. Nous avons mis en évidence les rôles contre-intuitifs de la gravité et de la viscosité. Les aérosols éjectés par ce mécanisme ont ensuite été caractérisés, de leurs tailles à leurs évaporations. Dans une seconde partie, le pendant gravitaire à été considéré via une expérience modèle permettant l'étude de jets issus de cavités centimétriques sculptées à l'air comprimé. Une dynamique originale traduisant une focalisation de liquide et une dissipation localisée à la base du jet a été mise en évidence. Ces jets modèles ont ensuite été comparés à ceux issus de l'impact d'une bille dans un liquide visqueux. Dans la troisième partie, le champ de vitesse dans les jets étirés évoluant dans un régime inertiel a été étudié expérimentalement et théoriquement. La vitesse inertielle en z/t (z la position dans le jet et t le temps) communément utilisé a été caractérisée en fonction de l'alimentation en liquide à la base du jet

Relaxation d'interface et jet gravitaire

L'éclatement d'une bulle (Duchemin et al.,2002), l'effondrement d'une cavité suite à une excitation de Faraday (Zeff et al., 2000) ou à la chute d'un objet dans un liquide (Gekle et al., 2010), l'évolution d'une cavité créée au sein d'une goutte après un impact sur une surface hydrophobe (Bartolo et al., 2006) ou la relaxation de longues bulles évoluant dans un liquide visqueux (Séon et Antkowiak, 2012) sont autant de phénomènes physiques où des jets de liquides se manifestent. Ces jets trouvent leurs origines dans les forces d'inertie, de capillarité ou de gravité. De nombreuses études ont porté sur l'évolution des profils de cavités juste avant la création du jet mais peu d'entre elles se sont penchées sur la dynamique de ces jets. Afin d'approfondir les connaissances concernant la dynamique des jets gravitaires, nous avons mis en place une expérience permettant d'obtenir des jets dus à la relaxation de cavités centimétriques à la surface de liquides visqueux. Pour réaliser de telles cavités, une brève impulsion d'air comprimé est appliquée à quelque dizaines de centimètres au dessus de la surface du liquide, ce qui crée une cavité à sa surface. Notre montage expérimental permet de faire varier la largeur et la profondeur de la cavité facilement et la gamme de viscosité du liquide utilisé balaye trois ordres de grandeur. La cavité obtenue relaxe ensuite sous l'influence de la gravité et un jet de liquide émerge alors de celle-ci. Grâce à des moyens en imagerie ultra-rapide, la dynamique de ces jets a été caractérisée. Celle-ci est remarquable car bien que ce phénomène soit gravitaire, le nombre de Froude n'est pas constant. Dans un second temps, le rôle de la viscosité sur la dynamique sera étudié

Out of equilibrium free surface : from cavity collapse to stretched jets

Cette thèse traite de la dynamique des jets et projections liquides faisant suite à l'effondrement de cavités à la surface libre. Une large gamme d'échelle sera considérée : des cavités submillimétriques à décimétriques. La dépendance de la vitesse d'éjection du jet avec la taille de cavité et les propriétés du liquide nous permet de déterminer les lois d'échelle pertinentes et ainsi d'extraire l'essence des mécanismes physiques en jeu. Dans une première partie, les jets sont créés par l'éclatement de petites bulles : la force motrice qui permet de combler la cavité est alors la capillarité. Nous avons mis en évidence les rôles contre-intuitifs de la gravité et de la viscosité. Les aérosols éjectés par ce mécanisme ont ensuite été caractérisés, de leurs tailles à leurs évaporations. Dans une seconde partie, le pendant gravitaire à été considéré via une expérience modèle permettant l'étude de jets issus de cavités centimétriques sculptées à l'air comprimé. Une dynamique originale traduisant une focalisation de liquide et une dissipation localisée à la base du jet a été mise en évidence. Ces jets modèles ont ensuite été comparés à ceux issus de l'impact d'une bille dans un liquide visqueux. Dans la troisième partie, le champ de vitesse dans les jets étirés évoluant dans un régime inertiel a été étudié expérimentalement et théoriquement. La vitesse inertielle en z/t (z la position dans le jet et t le temps) communément utilisé a été caractérisée en fonction de l'alimentation en liquide à la base du jet.This thesis deals with the dynamics of jets and liquid projections occuring when a cavity collapses at a free surface. A full range of scales will be investigated: from submilimetric cavitis to decimetric ones. The jet velocity dependence with cavity size and liquid properties allow us to establish the right scaling laws and thus to point out the relevant physical mecanisms at play. In a first chapter, jets are created by the bursting of small bubbles: the cavity collapses because of capillary forces. We highligthed the counterintuitive role of both gravity and viscosity. This mecanism gives birth to aerosols, which have been characterized from their size to their evaporation. In a second chapter, we considered the gravity-fed equivalent: a model experiment was set up to study jets from relaxing centimetric cavity shaped by blowing air at a free surface. We evidenced an unusual dynamics revealing the liquid focalisation in the jet and a localized dissipation at the base of the jet. A comparison of those model jets with the ones ejected after a solid objet impacts a viscous liquid was then performed. In the third chapter, we studied experimentally and theoretically the velocity field of inertial stretched jets. The inertial velocity z/t (with z the position in the jet et t the time) commonly used has been investigated depending on the jet feeding at its base

Liquid jet eruption from hollow relaxation

International audienceUsing a model experiment, we explore the dynamics of inertial liquid jets arising from a gravitational cavity collapse. The focus of the study is to elucidate the link between both dynamical and kinematical properties of the jet and the initial cavity geometry, for a wide range of physical parameters. We demonstrate that the jets exhibit shape similarity and reveal a robust relationship between the jet tip velocity and the initial cavity geometry, regardless of the details of the collapse process. We argue that this relation reflects a flow focusing mechanism, and we propose a simple model capturing the key features of the erupting jet velocity scaling. The relevance of these results to other jets occurring in e.g. large bubble detachment or wave impact on walls is finally discussed

Plasticity of cell migration resulting from mechanochemical coupling.

Eukaryotic cells can migrate using different modes, ranging from amoeboid-like, during which actin filled protrusions come and go, to keratocyte-like, characterized by a stable morphology and persistent motion. How cells can switch between these modes is not well understood but waves of signaling events are thought to play an important role in these transitions. Here we present a simple two-component biochemical reaction-diffusion model based on relaxation oscillators and couple this to a model for the mechanics of cell deformations. Different migration modes, including amoeboid-like and keratocyte-like, naturally emerge through transitions determined by interactions between biochemical traveling waves, cell mechanics and morphology. The model predictions are explicitly verified by systematically reducing the protrusive force of the actin network in experiments using Dictyostelium discoideum cells. Our results indicate the importance of coupling signaling events to cell mechanics and morphology and may be applicable in a wide variety of cell motility systems

Evaporation of droplets in a Champagne wine aerosol

International audienceIn a single glass of champagne about a million bubbles nucleate on the wall and rise towards the surface. When these bubbles reach the surface and rupture, they project a multitude of tiny droplets in the form of a particular aerosol holding a concentrate of wine aromas. Based on the model experiment of a single bubble bursting in idealized champagnes, the key features of the champagne aerosol are identified. In particular, we show that film drops, critical in sea spray for example, are here nonexistent. We then demonstrate that compared to a still wine, champagne fizz drastically enhances the transfer of liquid into the atmosphere. There, conditions on bubble radius and wine viscosity that optimize aerosol evaporation are provided. These results pave the way towards the fine tuning of flavor release during sparkling wine tasting, a major issue for the sparkling wine industry