Etude holographique des instabilités critiques et bifurcations dans des fluides soumis à un gradient thermique

Holographic study of critical instabilities and bifurcations in fluids submitted to a temperature gradient

• Auteur / Autrice : Hervé Diaz
• Direction : Jacques Bert
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences. Mécanique des fluides
• Date : Soutenance en 1992
• Etablissement(s) : Lyon 1
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Jacques Bert

Mots clés

Mots clés contrôlés

Chaleur -- Convection

Instabilités hydrodynamiques

Interférométrie holographique

Effets de la gravité réduite

Transfert de chaleur

Gravité réduite

Résumé

Les etudes relatives aux materiaux a l'etat liquide et gazeux sont concernees par les processus de transport, lesquels peuvent etre, soit provoques par l'application d'une force exterieure, soit inherents a l'experience. En particulier, les mesures de diffusion sont d'une grande importance car elles apportent des informations sur les mecanismes de transport des constituants, les entites mobiles, leur mobilite, leurs interactions avec le milieu et le couplage de certaines forces et parametres. Dans les liquides ces mecanismes permettent, de plus, de comprendre le role et la nature des interactions a courte et longue portee. L'espace, associe a la microgravite, a donne un nouvel elan a ces etudes. Les premieres experiences, notamment notre mesure sur le vol d1 (challenger) de la thermodiffusion, ont montre que les manifestations des phenomenes physico-chimiques fondamentaux sont affectees serieusement par la pesanteur, en particulier, que les mouvements dans les fluides sont souvent meconnus ou tout au moins mal maitrises dans les etudes de phenomenes de transport. Sur terre, les gradients de temperature ou de concentration donnent toujours lieu a un mouvement spontane du liquide appele convection naturelle, lequel augmente considerablement les echanges de chaleur et de matiere au sein d'un fluide et masque les transports purement conductifs ou diffusifs susceptibles de se creer. Dans le cas de mesures de thermodiffusion, le role de l'acceleration de la pesanteur par rapport au gradient de temperature applique est tres important. Il est indispensable que l'angle forme entre la gravite et le gradient de temperature soit nul pour stabiliser le systeme. Dans ces conditions, le couplage entre flux de chaleur et flux de matiere n'est perturbe par aucune autre force. L'observation d'un phenomene de diffusion thermique pure n'est donc possible que si la convection est totalement absente. Nous nous proposons donc, non pas d'expliquer la physique d'un processus de thermodiffus ion, mais d'essayer d'obtenir des conditions favorables a un processus purement de thermotransport, c'est-a-dire non perturbe par la convection naturelle. Pour cela, il est necessaire de caracteriser exactement la configuration dynamique de notre systeme fluide: existence ou non de rouleaux, repartition des iso-fractions massiques, constitution du champ thermique reel. La mecanique des fluides donne un support de simulation 3d des phenomenes suivis; une technique experimentale doit etre choisie pour les visualiser. Apres une etude des possibilites de visualisation, nous avons opte pour les techniques holographiques. Notre premier travail a donc ete de les mettre au point. Une etude sur l'agregation et la stabilite de micelles a permis la mise au point de la micro-holographie qui servira a la determination de vitesses de particules dans le cas de mouvements convectifs. Des mesures de coefficients d'interdiffusions ont permis d'autre part, la maitrise des methodes d'interferometrie holographique pour la mesure des champs de concentration et de temperature. L'aspect purement optique etant acquis, nous avons etudie la stabilite d'un liquide pur soumis a un gradient de temperature dans un confinement donne. La realisation d'un dispositif cryogenique original nous a permis de definir des experiences au sol dans lesquelles on peut changer le regime d'instabilite en jouant sur la viscosite, en particulier la transition regime diffusif/regime convectif. Trois etudes quantitatives sont donnees: la premiere, ou le parametre d'ordre est le confinement pour differents types de liquide; la deuxieme, ou le parametre d'ordre est la temperature moyenne du systeme; et enfin, nous abordons le cas de la presence d'une surface libre. Les seuils d'instabilite hydrodynamiques sont alors modifies et les premiers regimes convectifs sont abordes