Atomisation, pulvérisation et aérosols - Théorie et modèles

Les processus de formation de gouttes et particules sont omniprésents dans l'industrie et dans la nature : les chambres de combustion des voitures, des avions, des fusées, des chaudières, les traitements de surface (peintures, revêtements, nettoyage…), les traitements thermiques, les inhalateurs en médecine, la parfumerie, l'épandage agricole, les imprimantes et photocopieurs, la fabrication de composants électroniques, les extincteurs d'incendie, mais aussi dans le brouillard, la pluie, les nuages, les éruptions volcaniques, les geysers… De façon générale, l'étude de la formation de gouttes et particules est commune aux processus d'émulsion, de séparation de liquides, de vaporisation et condensation, qu'on veuille accélérer ces processus par la formation de gouttes ou au contraire les ralentir en évitant l'apparition de gouttes.

Les processus et mécanismes physiques mis en jeu sont en général assez simples sur le principe, mais le passage d'une phase continue liquide à une phase dispersée se fait par la déformation puis la rupture de la surface. Cette déformation apparaît subtilement, d'abord comme une perturbation superficielle imperceptible. Puis, grâce à l'amplification par le couplage de forces appliquées au liquide, la perturbation grandit et atteint une amplitude telle que les contraintes appliquées dépassent celles qui permettent la cohésion ; c'est la rupture. Des phénomènes non-linéaires sont donc responsables du passage à la phase dispersée et, par nature, leurs expressions présentent des difficultés aux mathématiciens et aux physiciens voulant prévoir ou reproduire leurs effets.

C'est un domaine où la théorie est encore relativement élémentaire dans le sens où seuls quelques cas d'école d'atomisation (instabilité de Rayleigh) bénéficient d'expressions permettant une quantification précise de la taille et de la vitesse des gouttes produites. Dans la plupart des cas, seules les tendances et les aspects qualitatifs peuvent être reproduits par la théorie. Nous verrons dans cette section quelles sont les principales voies théoriques explorées pour la représentation de l'atomisation de façon aussi exhaustive que possible. Néanmoins, compte tenu du grand nombre de travaux menés sur le sujet et de la complexité de certaines expressions algébriques, nous suggérons au lecteur voulant approfondir le sujet de se référer à la bibliographie.