Étude expérimentale des instabilités dans des systèmes hydrodynamiques modulés

Experimental investigation of the instabilities of modulated hydrodynamic systems

• Auteur / Autrice : Canisius Martial Gassa Feugaing
• Direction : Innocent Mutabazi
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance en 2012
• Etablissement(s) : Le Havre

Mots clés

Mots clés contrôlés

Viscoélasticité

Instabilités hydrodynamiques

Mots clés libres

Couette-Taylor modulé

Jet capillaire

Forçage périodique

Perles sur une ficelle

Résumé

Cette thèse est une contribution expérimentale à l'étude de la réponse à un forçage extérieur, périodique en temps, d'écoulements sujets à des instabilités. La première partie est consacrée à l'étude expérimentale de l'effet de la modulation de la vitesse de rotation du cylindre intérieur autour d'une valeur moyenne non nulle, sur la stabilité de l'écoulement de Couette-Taylor d'une solution aqueuse de 30% de glycérol, avec le cylindre extérieur fixe. Une déstabilisation par la modulation est mise en évidence pour toutes les fréquences et amplitudes de modulation balayées. L'influence de la modulation sur les motifs observés au seuil de l'instabilité primaire et sur les états supérieurs est analysée. L'analyse spectrale révèle une désynchronisation entre les motifs et l'excitation à faible fréquence de modulation, et une synchronisation à haute fréquence de modulation. La taille des rouleaux augmente à la fois avec l'augmentation de la fréquence de modulation et l'augmentation du nombre de Taylor. Les résultats expérimentaux sont en bon accords avec les résultats numériques disponibles dans la littérature. La seconde partie étudie l'influence de la viscoélasticité de solutions aqueuses de polyoxyéthylène (POE, c* = 220 ppm, un polymère neutre flexible de grande masse molaire) et du forçage sur les mécanismes de rupture et sur les caractéristiques d'un micro-jet capillaire (Amplitude initiale des perturbations, longueur de rupture, taille des gouttes) en régime très dilué. L'étude a mis en évidence un effet élongationnel (instabilité de « perles sur une ficelle ») et a montré la possibilité d'observer des effets linéaires ou non linéaires. La viscoélasticité fait varier la taille des gouttes lorsque le nombre de Weber augmente. Elle réduit de manière significative les gouttelettes satellites et augmente la taille des gouttes à un nombre de Weber fixé. La longueur de rupture du jet viscoélastique est peu sensible au forçage.

The thesis is an experimental contribution to the study of the response to a parametric excitation of flows prone to instabilities. The first part of this work investigates the effect of modulation around a non zero mean value of the inner cylinder rotation on the stability of the Couette-Taylor flow of an aqueous solution of 30% of glycerol, in a system with fixed outer cylinder. A net destabilization of the flow has been evidenced for all modulation frequencies and amplitudes. Influence of the modulation on the critical patterns and at higher states is analysed. Spectral analysis revealed that pattern and excitation are desynchronized at low modulation frequency, while synchronized at high modulation frequency. The vortex size increases either with increasing values of the Taylor number or increasing values of the modulation frequency. There is a good agreement between these experimental results and available results from numerical simulation. The capillary instability of viscoelastic liquid jet under the influence of free and externally controlled disturbances is investigated experimentally in the second part. The working liquids are low concentration aqueous solutions of polyethylene oxide (POE, c* = 220 ppm), a neutral and flexible polymer of high molecular weight. Experiments show that the so-called beads-on-a-string structure remains before the final break-up point. This structure is also observed when periodic forcing is enabled. This behaviour indicates that the extensional properties of viscoelastic fluids play an important role in such dilute solutions