Faraday instability in binary fluids
Instabilités de Faraday dans les fluides binaires
Résumé
While it is well known that the phenomenon of Faraday instability is a manifestation of vibrational acceleration, its behaviour when both the capillary and gravitational effects vanish, remains unexplored theoretically and experimentally. A detailed experimental and theoretical study is performed to understand the physics of this phenomenon in small rectangular geometry where the proximity of wall results in considerable sidewall stresses. A novel binary liquids system is utilized with low interfacial tension for a near flat interface. Thermal control of fluid system is utilized for achieving reduction in capillary force with study of miscible fluids where interfacial tension reduces to almost zero. In order to discriminate between gravity and capillarity effects, experiments were performed in parabolic flight campaigns. . For the theoretical approach a linear stability analysis is performed through Navier-Stokes equations in a Newtonian incompressible viscous fluid system. This is achieved through a Fourier Floquet method resulting into an eigenvalue problem. Equations are solved by including viscous damping effects for compensating sidewall stresses. Experimentally binary fluids provided a convenient option of changing the coefficient of interfacial tension by temperature control and going through immiscible to miscible system without change of liquid charge. Viscous damping rate is determined experimentally by measuring the linear damping rate. The correction in the theoretical calculations with the viscous damping rate helped in achieving a better understanding of the prediction of the experimental critical amplitude for sub-harmonic and harmonic modes.
Alors qu'il est bien connu que le phénomène d'instabilité de Faraday est une manifestation d'ondes de gravité capillaire, son comportement lorsque les effets capillaires et gravitationnels disparaissent reste inexploré théoriquement et expérimentalement. Une étude expérimentale et théorique détaillée est réalisée pour comprendre la physique de ce phénomène dans une petite cavité rectangulaire où la proximité des murs entraîne des contraintes considérables sur les parois latérales. Un couple de liquides binaires est utilisé avec une faible tension interfaciale pour une interface presque plate. Le contrôle thermique de ce système de fluide est utilisé pour diminuer la force capillaire et d’étudier ainsi les instabilités de Faraday dans les fluides miscibles où la tension interfaciale s’annule. Afin de prendre en compte les effets gravitationnels, l'expérience a été réalisée dans des campagnes de vols paraboliques. Pour l'approche théorique, une analyse de stabilité linéaire est effectuée à l'aide d'équations de Navier-Stokes dans un système de fluide visqueux incompressible et newtonien. Ceci est réalisé grâce à une méthode de Fourier-Floquet résultant en un problème aux valeurs propres. Les comparaisons montrent des différences non négligeables. Les équations sont ensuite résolues en incluant des effets d'amortissement visqueux pour compenser les contraintes des parois latérales. Les fluides binaires ont fourni une option commode pourchanger le coefficient de tension interfaciale en augmentant la température jusqu’à la température critique, ce qui a permis de passer d’un système de fluides non miscibles à celui des fluides miscibles tout en restant au-dessous de la température d’ébullition. Le taux d'amortissement visqueux linéaire est mesuré expérimentalement. La correction des calculs théoriques en prenant en compte le taux d'amortissement visqueux a permis une amélioration nette des résultats et donc de mieux comprendre la prédiction de l'amplitude critique expérimentale pour les modes sous-harmonique et harmonique.
Origine : Version validée par le jury (STAR)
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