Si vous avez déjà éclaboussé de la peinture sur une toile ou aspergé une plaque à biscuits d'huile, vous avez probablement créé - à part un désordre mineur - une pluie de gouttelettes, allant de taches de la taille d'une pièce de dix cents à des taches de crayon.

De telles tailles de gouttelettes peuvent sembler aléatoires, mais maintenant les ingénieurs du MIT peuvent prédire la distribution de la taille des gouttelettes d'un liquide, y compris la probabilité de produire de très grosses et très petites gouttelettes, basé sur une propriété principale :la viscoélasticité du liquide, ou collant. Quoi de plus, l'équipe a constaté que, passé une certaine viscosité, les fluides présenteront toujours la même gamme relative de tailles de gouttelettes.

Connaître la taille ou la taille des gouttelettes d'un spray liquide peut aider les chercheurs à identifier les fluides optimaux pour un certain nombre d'applications industrielles, de prévenir les défauts dans les travaux de peinture automobile, à la fertilisation des champs agricoles par pulvérisation aérienne.

Les résultats des chercheurs ont été publiés en octobre dans la revue Lettres d'examen physique . L'auteur principal de l'article est Bavand Keshavarz, un étudiant diplômé du laboratoire de Gareth McKinley, qui est professeur à la School of Engineering de l'enseignement de l'innovation au MIT et auteur principal de l'article. Parmi leurs co-auteurs, Eric Houze, John Moore, et Michael Koerner d'Axalta Coating Systems, un fabricant de peintures pour véhicules utilitaires basé à Philadelphie.

Un ingrédient épaississant

Les manières dont les liquides se fragmentent, ou se briser en gouttelettes, a été une fascination pendant des siècles et un domaine d'étude actif au cours des dernières décennies. Scientifiques, tenter de caractériser la fragmentation liquide, se sont généralement concentrés sur ce que l'on appelle les fluides newtoniens, tels que l'eau et l'huile-relativement mince, liquides homogènes qui ne contiennent pas de particules fines ou de longues molécules telles que des polymères qui pourraient affecter la façon dont ces fluides s'écoulent.

Au début des années 2000, les scientifiques ont dérivé une équation simple pour décrire le comportement d'un fluide newtonien lorsqu'il est atomisé, ou pulvérisé en gouttelettes. Intégré dans cette équation était un paramètre unique, "n, " qui détermine la largeur ou l'étroitesse de la distribution des gouttelettes d'un liquide. Plus la valeur de " n, " plus la distribution finale des tailles est étroite.

Mais lorsque cette valeur est relativement grande, l'équation ne parvient pas à décrire la distribution plus large des tailles de gouttelettes observées pour plus de viscoélastique, fluides non newtoniens tels que la salive, du sang, Peinture, et résines. Keshavarz et McKinley soupçonnaient que le caractère collant d'un fluide non newtonien, ou la viscoélasticité, pourrait avoir quelque chose à voir avec l'inadéquation.

"Ce que nous voulions ajouter à la littérature, c'est comment la viscoélasticité peut modifier ce paramètre n, qui est le paramètre le plus important car il dicte le nombre de gouttelettes d'une taille spécifique qu'un liquide peut produire, par rapport à la taille moyenne des gouttelettes, " Keshavarz dit. "Maintenant pour la première fois pour une variété de fluides, nous avons pu quantifier cela."

"Figé dans le temps"

Faire cela, Keshavarz et McKinley ont mis en place plusieurs expériences pour observer la fragmentation des liquides dans les fluides newtoniens et non newtoniens. Ils ont utilisé de l'eau et des mélanges eau-glycérol comme fluides newtoniens classiques, et créé des échantillons non newtoniens en mélangeant une solution d'eau-glycérol avec des quantités variables de polymères de poids moléculaires différents. Ils ont également expérimenté plusieurs peintures et résines industrielles.

Les chercheurs ont soumis chaque échantillon liquide à trois tests d'atomisation différents, verser d'abord les liquides sur une surface plane, puis les pulvériser à travers une buse, et enfin, formation d'une pulvérisation du liquide par collision de deux jets. L'équipe a utilisé une technique de lumière stroboscopique, développé à l'origine par Harold "Doc" Edgerton du MIT, pour créer des images d'une fraction de milliseconde de chaque expérience.

L'équipe a observé près de 5, 000 gouttelettes pour chaque liquide testé. Leurs images ont montré que, en général, plus mince, Les fluides newtoniens ont produit une gamme plus étroite de tailles de gouttelettes, quel que soit le type d'expérience réalisée, alors que les fluides viscoélastiques avaient des distributions plus larges, générant un plus grand nombre de grosses et de petites gouttes.

Au fur et à mesure qu'ils étaient pulvérisés ou largués, les fluides viscoélastiques ont créé de longs ligaments, ou des projections en forme de ficelle, qui s'est d'abord étiré, puis s'est finalement brisé en gouttelettes.

"Chaque image fait paraître les ligaments figés dans le temps, " dit Keshavarz. " En une fraction de milliseconde, ils se séparent en une gamme finie de tailles de gouttelettes."

Un profil universel

Se référant à l'équation originale décrivant la fragmentation des fluides newtoniens, Keshavarz a noté que le paramètre "n, " qui établit la distribution des tailles de gouttelettes, est également déterminé par la douceur des ligaments qui finissent par se fragmenter en gouttes. Dans les images de leurs expériences, cependant, les chercheurs ont observé que les fluides les plus viscoélastiques produisaient plus de bosses, ligaments plus ondulés. Keshavarz a émis l'hypothèse que plus un liquide est collant, plus il résiste au lissage car il forme un ligament.

Pour tester cette hypothèse, il a développé une nouvelle expérience, appelé test « step-strain », dans lequel il a pressé un liquide entre deux assiettes, puis a rapidement séparé les plaques, tirant le liquide vers le haut et l'étirant dans un ligament avant qu'il ne se sépare en gouttes. Dans l'imagerie à haute vitesse de ces tests, les chercheurs ont observé que les fluides viscoélastiques présentaient des ligaments plus bosselés, ressemblant à des perles sur une ficelle. Plus le liquide est collant, plus le ligament devenait ondulé. Les chercheurs ont mesuré les ondulations et ont constaté que, passé une certaine viscosité, le degré de bosse d'un ligament est resté le même.

De leurs images de jets viscoélastiques, les chercheurs ont également mesuré la vitesse à laquelle chaque ligament s'amincissait, également connu sous le nom de temps de relaxation du liquide. De la même manière, ils ont constaté que ce taux devient presque constant pour les liquides viscoélastiques. L'équipe a effectué quelques calculs pour adapter les mesures du temps de relaxation à l'équation d'origine pour la fragmentation du liquide, et trouvé que, toutes les autres variables étant connues, le paramètre "n" a atteint une valeur minimale quelle que soit la viscosité du fluide, correspondant à une largeur maximale dans la distribution des tailles de gouttes.

En d'autres termes, les chercheurs ont identifié la plus large distribution de tailles de gouttelettes que n'importe quel viscoélastique, un fluide non newtonien peut éventuellement se manifester lorsqu'il est pulvérisé.

« Quel que soit le type d'expérience, ou le type de polymère ou la concentration, nous voyons cette distribution universelle, et il est largement applicable à une large gamme de fluides, ", dit McKinley.

Finalement, il dit que cette nouvelle compréhension de la fragmentation des fluides peut être utile dans un certain nombre de domaines, y compris la combustion, sprays pharmaceutiques et agricoles, jets d'encre, et l'industrie du revêtement automobile, où les fabricants cherchent des moyens d'éviter la "sur-pulvérisation" et d'augmenter l'efficacité de la peinture au pistolet.

"Quand ils pulvérisent une voiture, ils doivent scotcher les fenêtres car peu importe à quel point vous faites attention, il y a toujours des éclaboussures, qui est de la peinture gaspillée, ", dit McKinley. "Aussi, si vous pulvérisez de la peinture, les plus grosses gouttes ont tendance à apparaître comme des défauts. C'est l'une des raisons pour lesquelles vous vous souciez de la distribution de la taille des gouttelettes :vous voulez savoir quelle sera la taille des plus grosses gouttes, car un bon travail de peinture à la fin de la journée devrait être une finition parfaitement lisse."