Noise and fluctuations generated by flows of complex fluids
Bruit et fluctuations dans les écoulements de fluides complexes
Résumé
This manuscript gathers experimental results of three different experiments, all involving quasistatic flows of complex fluids. A first experiment tackles the creep motion of a granular pile induced by thermal cycling. We report a time-resolved study of the dynamics associated with the slow compaction of a granular column submitted to thermal cycles. The column height displays a non trivial behavior: for a large amplitude of the temperature cycles, the granular column settles continuously, experiencing a small settling at each cycle; By contrast, for small-enough amplitude, the column exhibits a discontinuous and intermittent activity: successive collapses are separated by quiescent periods whose duration is exponentially distributed. Interpretations involving the relative thermal expansion of the container and previously proposed by others, are ruled out by our results. A plausible scenario for the compaction is given: the grains are subjected to a periodic vertical-shear due to the imposed radial thermal-gradient, which induces local rearrangements, and, accidentally, internal avalanches. The finite-temperature transition observed is a finite-size effect which involves the grains surface properties (roughness). The role of the frequency of the cycles of temperature is also qualitatively discussed. A second experiment focuses on a plane shear flow of an immersed slurry. We bring to the fore a large set of experimental results which indicate that, over a few decades of values, the effective dynamical friction coefficient depends neither on the viscosity of the interstitial fluid nor on the size of beads in the sheared layer, which bears out the analogy with the solid-solid friction in a wide range of experimental parameters.We also discuss our results in the frame of the Inertial parameter and demonstrate that this number might not be relevant to describe immersed granular flows, in the quasi-static limit. Finally, in a third experiment, We report an experimental study of the intermittent dynamics of a gas flowing through a column of a non-Newtonian fluid. In a given range of the imposed constant flow rate, the system spontaneously alternates between two regimes: bubbles emitted at the bottom either rise independently one from the other or merge to create a winding flue which then connects the bottom air entrance to the free surface. The observations are reminiscent of the spontaneous changes in the degassing regime observed on volcanoes and suggest that, in the nature, such a phenomenon is likely to be governed by the non-Newtonian properties of the magma. We focus on the statistical distribution of the lifespans of the bubbling and flue regimes in the intermittent steady state. The bubbling regime exhibits a characteristic time whereas, interestingly, the flue lifespan displays a decaying power-law distribution. The associated exponent, which is significantly smaller than the value 1.5 often reported experimentally and predicted in some standard intermittency scenarios, depends on the fluid properties and can be interpreted as the ratio of two characteristic times of the system.
Cette thèse, de nature expérimentale, porte sur l'étude des écoulements de matériaux mous vitreux. Laissés au repos, ces matériaux présentent, à l'instar des verres, une dynamique extrêmement lente ou éventuellement bloquée suivant leur sensibilité à l'agitation thermique; au-delà d'un seuil, ces matériaux s'écoulent comme des liquides. Autour de trois expériences simples, nous nous proposons d'étudier d'une part l'influence d'un bruit modéré, i.e. d'une perturbation de faible amplitude, sur de tels systèmes. D'autre part, nous voulons montrer que les fluctuations d'observables simples (force, vitesse, position, etc.) générées par l'écoulement contiennent de l'information sur le système. Ainsi, dans une première expérience, nous étudions la mise en mouvement délicate d'un empilement de grains (système athermique) sous l'effet de variations de température contrôlées et de faible amplitude ( amplitude <40°C). Nous montrons notamment qu'un tel bruit thermique est suffisant pour provoquer le fluage de l'empilement qui présente alors des propriétés classiques des systèmes vitreux, comme du vieillissement. De plus, nous étudions quantitativement le rôle de l'amplitude des cycles de température, et plus qualitativement celui de leur fréquence. Nous mettons enfin en évidence les perspectives particulièrement prometteuses de cette méthode de sollicitation douce.
Dans une deuxième expérience, nous étudions un milieu granulaire immergé dans la limite des écoulements quasi-statiques. Cet écoulement est induit par cisaillement, à contrainte normale imposée, à l'aide d'un patin. Nous montrons tout d'abord que le nombre inertiel I, paramètre sans dimension introduit récemment pour décrire les écoulements denses, n'est plus tout-à-fait pertinent pour décrire la rhéologie de ces écoulements (I<10^-2). Nous soulignons notamment que le coefficient de friction effectif du milieu granulaire immergé ne dépend, dans la limite $I = 0$, ni de la taille des grains, ni de la viscosité du fluide. En revanche, celui-ci dépend des propriétés de surface des grains, de leur polydispersité et de la géométrie de l'écoulement. Ceci nous conduit à étudier la dilatance de l'empilement immergé en fonction des différents paramètres de l'expérience (taille des grains, viscosité du fluide, vitesse du patin, etc.) et à proposer une description simple permettant de rendre compte des dépendances rencontrées. Nous montrons ensuite que les fluctuations de force et d'altitude du patin, contrairement aux valeurs moyennes de ces mêmes quantités, sont les bonnes observables à même de décrire l'écoulement. Enfin, une dernière expérience nous permet de faire le lien entre la rhéologie non-linéaire d'un système thermique et les fluctuations de l'écoulement. L'expérience consiste à injecter de l'air à la base d'une colonne d'un fluide non-newtonien. Nous montrons que le gaz peut être relâche au travers du fluide soit sous forme de bulles, soit sous forme d'un canal connectant la buse émettrice de gaz au bas de la colonne à la surface libre du fluide. On observe que dans certaines conditions, le système oscille spontanément entre ces deux états. L'intermittence entre ces deux modes de dégazage est relié à la rhéologie non-linéaire du fluide et nous prenons le temps d'une mise en perspective de ces résultats dans le contexte de la géophysique.
Dans une deuxième expérience, nous étudions un milieu granulaire immergé dans la limite des écoulements quasi-statiques. Cet écoulement est induit par cisaillement, à contrainte normale imposée, à l'aide d'un patin. Nous montrons tout d'abord que le nombre inertiel I, paramètre sans dimension introduit récemment pour décrire les écoulements denses, n'est plus tout-à-fait pertinent pour décrire la rhéologie de ces écoulements (I<10^-2). Nous soulignons notamment que le coefficient de friction effectif du milieu granulaire immergé ne dépend, dans la limite $I = 0$, ni de la taille des grains, ni de la viscosité du fluide. En revanche, celui-ci dépend des propriétés de surface des grains, de leur polydispersité et de la géométrie de l'écoulement. Ceci nous conduit à étudier la dilatance de l'empilement immergé en fonction des différents paramètres de l'expérience (taille des grains, viscosité du fluide, vitesse du patin, etc.) et à proposer une description simple permettant de rendre compte des dépendances rencontrées. Nous montrons ensuite que les fluctuations de force et d'altitude du patin, contrairement aux valeurs moyennes de ces mêmes quantités, sont les bonnes observables à même de décrire l'écoulement. Enfin, une dernière expérience nous permet de faire le lien entre la rhéologie non-linéaire d'un système thermique et les fluctuations de l'écoulement. L'expérience consiste à injecter de l'air à la base d'une colonne d'un fluide non-newtonien. Nous montrons que le gaz peut être relâche au travers du fluide soit sous forme de bulles, soit sous forme d'un canal connectant la buse émettrice de gaz au bas de la colonne à la surface libre du fluide. On observe que dans certaines conditions, le système oscille spontanément entre ces deux états. L'intermittence entre ces deux modes de dégazage est relié à la rhéologie non-linéaire du fluide et nous prenons le temps d'une mise en perspective de ces résultats dans le contexte de la géophysique.
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