Écoulements solutocapillaires en présence d'échange interface-volume : génération de vorticité interfaciale et propulsion

Dans cette thèse nous étudions la génération de vorticité ainsi que la propulsion de petits bateaux par effet Marangoni. Dans un premier temps nous nous intéressons à la production de tourbillons en bordure des écoulements de Marangoni créés sur une couche d’eau. Ces écoulements sont obtenus par le dépôt de molécules tensioactives hydrosolubles capables de changer la tension interfaciale localement entre l’eau et l’air. Le gradient de tension de surface qui apparaît le long de l’interface met en mouvement les deux fluides de part et d’autre de l’interface. Le dépôt de ces molécules avec un flux constant génère un écoulement quasi-stationnaire qui s’étend sur une distance finie. Au-delà de cette distance, des paires de tourbillons sont émises par bouffées et tournent autour d’un axe perpendiculaire à la surface de l’eau. Les écoulements de Marangoni s’inscrivent dans la famille plus large, des écoulements axisymétriques rapides. Ces écoulements sont sujets à une instabilité divergente caractérisée par la production d’un nombre fini de tourbillons, dont le nombre augmente avec le débit. Cependant, l’instabilité que nous observons à la frontière de l’écoulement de Marangoni apparaît au-delà du seuil en débit de l’instabilité divergente. Au-delà de ce seuil l’instabilité s’évanouit. De plus, les écoulements divergents instables présentent des cellules de recirculations qui émanent de la source de l’écoulement et rebouclent sur elle-même, tandis que l’écoulement de Marangoni que nous observons est radial et axisymétrique. Enfin, les tourbillons sont émis par paires et non pas en cellules uniques. Nous attribuons l’origine de cette instabilité à la déstabilisation d’un enroulement dans la couche d’eau en interaction avec un mur rigide par effet de sol. Cette instabilité s’accompagne de la génération de vorticité secondaire qui se déstabilise en générant des paires de vortex au voisinage de la surface. La reconnexion de la seconde vorticité à la surface imprime des motifs tourbillonnaires à l’interface entre l’air et l’eau. Dans la deuxième partie de cette thèse, nous nous intéressons à la propulsion de petits bateaux à la surface de l’eau. Ces objets sont composés d’une coque en plastique et d’un moteur en papier filtre imbibé d’une solution de tensioactif. Le déplacement de ces petits objets résulte d’un gradient de tension de surface entre la proue et la poupe du bateau. Ce sujet a fait l’objet de nombreuses publications dans la littérature, en revanche l’étud