Experimental study of radial temperature gradient effect on instabilities in Couette-Taylor system

Étude expérimentale de l'effet d'un gradient radial de température sur les instabilités du système de Couette-Taylor

Clément Savaro (1)

1 LOMC - Laboratoire Ondes et Milieux Complexes

We performed an experimental investigation of the stability of the flow confined between two coaxial cylinders and produced by two distinct actions:the rotation of the inner cylinder and the natural convection generated by a radial temperature gradient. In other word, thermal effects are added to the Couette-Taylor system, which is a good prototype for the study of centrifugal instabilities. We studied the flow pattern which are revealed by Kalliroscope and performed temperature and velocity fields measurement using thermo-chromic liquids crystals. With the inner cylinder at rest, we showed that a vertical temperature gradient is produced when the radial temperature gradient is large enough. This vertical gradient affects the threshold of the first instability with inner cylinder rotation. We observed a slight discrepancy between our measurements and the threshold calculated with a linear stability analysis for the largest applied temperature gradients. We studied especially the modulated wave pattern arising from the destabilization of the base state for large temperature gradients. A very small increase of the inner cylinder rotation destabilizes this pattern and a solitary localized wave much more intense than the modulated spiral appears. We also studied the high rotation rates domain and found that the radial temperature gradient still affects the flow even if the temperature gradient is confined in thermal boundary layers due to the convection.

Nous avons étudié expérimentalement la stabilité de l’écoulement d’un fluide confiné entre deux cylindres coaxiaux et mis en mouvement par deux actions distinctes : la rotation du cylindre intérieur et la convection naturelle générée par un gradient radial de température. Ce dispositif appel´e système de Couette-Taylor est un système modèle permettant d’étudier le comportement des instabilités centrifuges auxquelles on ajoute ici un effet thermique. Nous avons étudié la structure de l’écoulement révélée par du Kalliroscope et effectué des mesures des champs de température et de vitesse à l’aide de cristaux liquides thermo-chromiques. Dans le cas où le cylindre intérieur n’est pas encore mis en rotation, nous avons mis en évidence la formation d’un gradient vertical de température lorsque le gradient de température radial est grand. Ce gradient vertical a une influence sur le seuil de la première instabilité du système avec rotation, nous avons en effet constaté une déviation entre nos mesures et le seuil calculé par une analyse de stabilité linéaire pour les plus grands gradients de température imposés. Nous avons en particulier étudié le motif d’ondes modulées formé par la déstabilisation de l’écoulement de base pour de grands gradients de température. Une tr`es faible augmentation de la rotation du cylindre intérieur suffit à le déstabiliser et une unique vague localisée beaucoup plus intense que l’onde modulée apparait alors. Nous avons aussi étudié le domaine des grands taux de rotation et constat´e que le gradient de température radial a toujours une influence importante sur l’écoulement même si la convection confine ce gradient dans des couches limites thermiques.

Mots clés: PIV experiments; Fluid mechanics; Couette Taylor Flow

Mots clés: Couette-Taylor; Mécanique des fluides; PIV

Domaines: Mécanique des fluides [physics.class-ph]; Dynamique des Fluides [physics.flu-dyn]

Clément Savaro. Étude expérimentale de l'effet d'un gradient radial de température sur les instabilités du système de Couette-Taylor. Mécanique des fluides [physics.class-ph]. Université du Havre, 2014. Français. ⟨NNT : ⟩. ⟨tel-01794201⟩