Coiling Instability in Liquid and Solid Ropes

L'instabilité de Flambage Helicoidal de Filaments Liquides et Solides

Mehdi Habibi (1)

1 LPS - Laboratoire de Physique Statistique de l'ENS

In this thesis, we present an experimental investigation of the coiling instability in a
liquid or a solid ”rope” on a solid surface and then try to compare the results with a numerical
model. We explain different regimes of coiling for a liquid rope (viscous, gravitational
and inertial) and present the experimental measurements of frequency vs. height in each
regime. We investigate the transition from gravitational to inertial coiling, in this regime
the frequency is multivalued and can jump between two frequencies during the time. We
show that between any step in frequency vs. height curve we have unstable part. We report
that in a relatively small region in gravitational coiling regimes the buckling coil will trap
air bubbles in a very regular way, that form spiral patterns. We also present a very simple
model that explains how these patterns are formed. We present an experimental study of
the coiling of both ropes and spaghetti falling onto a solid surface. We show that three
different regimes of coiling are possible. We in addition provide a theoretical and numerical
framework to understand and quantify the behavior of the ropes in the different regimes,
the numerical predications are in excellent agreement with the experiments.

Dans cette thèse, nous présentons une étude expérimentale des instabilités de flambage
hélicoïdal pour un liquide visqueux et une corde. Puis nous comparons nos résultats à un
modèle numérique. Nous montrons ici que dans une petite région le flambage de la bobine
conduit a l'emprisonnement de bulles d'air d'une manière très particulière, formant ainsi des
structures en spirale étonnantes. Nous présentons une étude expérimentale du flambage
hélicoïdal pour des cordes et des spaghettisoit lorsqu' ils sont laissés tomber librement. Nous
démontrons qu'il existe trois régimes différents de flambage hélicoïdal possibles. Nous
donnons ici un cadre expérimental et théorique pour comprendre le comportement des cordes
dans les différents régimes et nous expliquons la relation entre les propriétés élastiques des
matériaux et leurs propriétés de flambage hélicoïdal.

Mots clés: Instabilités de flambage hélicoïdal; Filaments visqueuses; Tiges élastiques; Ondes spirales; Instabilités de flambage de filaments; Instabilités visqueuses

Domaines: Dynamique des Fluides [physics.flu-dyn]

Mehdi Habibi. Coiling Instability in Liquid and Solid Ropes. Fluid Dynamics [physics.flu-dyn]. Université Pierre et Marie Curie - Paris VI, 2007. English. ⟨NNT : ⟩. ⟨tel-00156591⟩