Instabilities of fluid interfaces in microgravity under sudden or periodic change of acceleration
Instabilités d'interfaces fluides en apesanteur spatiale lors d'un changement brutal ou périodique d'accélération
Résumé
The behavior of a near-critical fluid subjected to vibration or a rapid variation of acceleration is an extremely interesting topic of research. The resulting physical phenomena are of great interest in view of the fundamental physics involved and have great relevance to the space industry. The thesis addresses mainly three problems: (i) study of the interaction of harmonic vibration with a thermal boundary layer of a supercritical fluid under the absence of gravity, (ii) study of the inter- action of vibration with the liquid−vapor interface of a near−critical fluid under various gravity levels (Faraday and frozen wave instabili- ties, dynamic equilibrium of the interface) (iii) study of the geysering phenomenon inside a reservoir partially filled with a liquid when it is subjected to a rapid variation of gravity. Experiments are conducted onboard the zero−g installations HYLDE and OLGA developed by CEA Grenoble using H2 and O2 as the work- ing fluids. Numerical simulations are carried out using finite volume codes based on SIMPLER (for the problem involving the supercriti- cal fluid) and VOF−PLIC (for the interface dynamics problem under rapid variation of gravity). New and interesting results have been obtained. Various phenom- ena like the Faraday instability and the frozen wave instability in the sub−critical region and the parametric instability and the Rayleigh−vibrational instability in the supercritical region have been quantified. The experiments have successfully explained the reason behind the transition of the Faraday instability into vertical band pattern very close to the critical point. Experiments and numerical simulation of the geysering phenomenon have helped to evolve empir- ical correlations for the bubble rise and geyser edge velocities taking into account the effect of walls on these velocities.
L'étude du comportement d'un fluide proche de son point critique et soumis à des vibrations ou une variation rapide de gravité/acceleration est un sujet extrêmement intéressant. Les phénomènes physiques impliqués sont d'un grand intérêt non seulement pour la physique fondamentale mais aussi pour l'industrie spatiale. Dans cette thèse, trois problèmes sont principalement trait&s: (i) Etude de l'interaction de vibrations harmoniques avec une couche limite thermique dans un fluide supercritique en absence de gravité, (ii) Etude de l'interaction de vibrations avec une interface liquide/vapeur d'un fluide sous−critique sous plusieurs niveaux de gravité (les instabilités de Faraday et d'onde gelée, l'équilibre dynamique d'une interface) et (iii) Etude du phénomène de geyser à l'intérieur d'un réservoir partiellement rempli d'oxygène lorsqu'il est soumis à une variation rapide de la gravité (ou accélération). La thèse comporte une partie expérimentale et une partie numérique. Des expériences ont été réalisées sur les installations HYLDE et OLGA du CEA Grenoble utilisant respectivement les fluides H2 et O2 dans la zone sous−critique. Des simulations numériques sont réalisées pour étudier la stabilité d'une couche limite thermique et la dynamique d'une interface fluide soumise à une variation rapide de la gravité en utilisant des codes numériques basées sur le méthode volumes finis utilisant les algorithmes SIMPLER et VOF−PLIC respectivement. Plusieurs résultats intéressants ont été obtenus. Différents phénomènes ont été étudiés et quantifiés, comme l'instabilité de Faraday et l'instabilité d'onde gelée dans le domaine sous−critique et l'instabilité parametrique et l'instabilité Rayleigh−vibrationnelle dans le domaine supercritique. Les expériences ont permis de bien comprendre les raisons de la transition de l'instabilité de Faraday vers une structuration en bandes verticales très près du point critique. Les expériences et les simulations numériques sur le phénomène de geyser ont aidé à développer des corrélations empiriques pour les vitesses de la bulle et du geyser en prenant en compte les effets des parois.
Origine : Version validée par le jury (STAR)
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