Fluides sous vibrations en apesanteur, région critique et supercritique, gravité artificielle

Participants : D. Beysens, V. Nikolayev (SBT et ESPCI); Y. Garrabos, F. Palencia et C. Lecoutre (ICMCB), D. Chatain (SBT), P. Evesque (MSSMat/Ecole Centrale)

Cette activité trouve sa motivation dans la gestion des fluides dans l’espace, et plus particulièrement les fluides proches de leur point critique ou dans leur région supercritique. Cet état est en effet souvent utilisé dans l’espace car il garantit un fluide de densité liquide et toujours monophasique quel que soit sa consommation. L’absence de pesanteur modifie considérablement cette gestion des fluides, leur comportement n’étant pas toujours prévisible aisément [5]. (Des situations nouvelles de point critique ont fait l’objet de considération dans des plasmas de poussières [9]).

Nous nous sommes intéressés à déterminer si des vibrations de faible amplitude (par rapport au container) et de haute fréquence (par rapport aux temps inverses hydrodynamiques) pouvait reproduire tout ou partie des comportements observés dans les fluides sous gravité normale. Deux phénomènes typiques ont été explorés : la convection thermo - vibrationnelle et les transitions de phase gaz - liquide. Pour bénéficier de comportements universels en lois d’échelles, ces phénomènes ont été étudiés dans la région proche du point critique.

Les fluides CO2 (température critique Tc = 31°C) et SF6 (Tc = 45°C) ont été étudiés en fusées-sondes ou en station orbitale et H2 (Tc = 33K) en compensation magnétique de gravité [2, 7]. Les vibrations typiques sont de fréquence f = 0.1 – 50 Hz et d’amplitude a = 0.1 – 100 mm.

Les mêmes résultats généraux ont été obtenus, toute inhomogénéité de densité acquérant une vitesse différente du milieu si sa taille L est supérieure à l’épaisseur de la couche limite visqueuse d = (2n/w)1/2 (w = 2pf ; n est la viscosité cinématique). Cette inhomogénéité tend alors à s’orienter perpendiculairement à la direction de vibration, comme sous l’action d’une pression de Bernoulli [1,3,6, 8, 10, 11].

Les principaux résultats concernent d’abord les transferts de chaleur à partir d’un point source au milieu d’un réservoir cylindrique (taille typique R) aux parois thermostatées [12]. On observe (Fig.1), pour (i) a , un développement initial de la plume chaude parallèlement à la vibration, cette plume (ii) finit par s’étaler perpendiculairement à la direction de vibration par l’effet de vortex turbulents. Si a>>R, on n’observe que le 2ème stade, un étalement de la zone chaude perpendiculairement à la direction de vibration sous forme de pancake. Ces différents comportement s’expliquent aussi par la considération du nombre de Rayleigh dans le cas (i), avec pour gravité l’accélération instantanée de la cellule, l’instabilité se formant parallèlement à l’accélération et d’un nombre de Rayleigh vibrationnel dans le cas (ii), le fluide se déstabilisant alors perpendiculairement a la direction de vibration.

 

Figure 1 : Images interférométriques d'un échantillon de CO2 (diamètre 12 mm, épaisseur 7 millimètres) chauffée par un point source (thermistor) S. (a): convection sous gravité terrestre g. (b) Convection en apesanteur spatiale sous vibration a = 64 mm et f = 0. 3 Hz (double flèche). (d) Convection en apesanteur sous vibration a = 0.8 mm et f = 1.6 Hz (double flèche).

D’autres investigations ont eu pour objet les effets de vibration sur la transition de phase gaz-liquide. Celle-ci s’est effectuée de la région supercritique à la région diphasique, à densité critique ou liquide de façon à favoriser la nucléation de bulles de vapeur ne mouillant pas les parois. Les deux processus impliqués : (i) coalescence de bulles en mouvement Brownien pour une fraction volumique finale de la phase minoritaire (gaz) Φ < 30 % , où la taille des bulles Lm ∼ t1/3 et (ii) coalescence de domaines interconnectés par interaction hydrodynamique pour Φ > 30 % où la taille des bulles Lm ∼ t. Dans tous les cas, un effet ne se fait sentir que si la taille des domaines Lm > δ, la couche limite visqueuse [3, 4, 13]. Dans le cas (i), les bulles s’ordonnent en colonnes perpendiculaire à la vibration et la loi de croissance s’accélère en Lm ∼ t1/2 avec un préfacteur qui correspond à un vol de Lévy [13] (Fig. 2). Dans le cas (ii), la loi de croissance des domaines reste ∼ t mais une accélération s’effectue par effet de cisaillement, le préfacteur étant multiplié par la quantité (Δρ/ρ)(a/δ). Pour les temps longs ou Lm>>δ, on observe comme en (i) un alignement des domaines gaz et liquides en bandes parallèles [4] (Fig. 3). Sur terre, la longueur capillaire est la mesure naturelle de ce type de périodicité spatiale. La longueur capillaire est ici infinie. L’origine de la périodicité spatiale de cet alignement de domaines reste ainsi encore à déterminer.

 

Figure 2 : Séparation de phase pour Φ>30% dans H2 sous vibration et sous compensation magnétique de la gravité terrestre. (La direction de la vibration est indiquée par une double flèche; le diamètre et l’épaisseur de la cellule font 3 mm). (a) Influence négligeable des vibrations (Lm < δ. (b) Etapes tardives. (c) Evolution de Lm sous vibration a = 0.3 mm, f = 20 s-1 à T-Tc ≈ - 0.6 mK. Les droites sont des ajustements à des lois de croissance en t1 avec des préfacteurs différents (cf. texte) suivant que Lm < δ ou Lm > δ

Figure 3 : Séparation de phase pour Φ< 30% dans H2 sous vibration et sous compensation magnétique de la gravité terrestre. (La direction de la vibration est indiquée par une double flèche; le diamètre et l’épaisseur de la cellule font 3 mm). (a) Influence négligeable des vibrations (Lm < δ (b) étapes tardives. (c) évolution de Lm sous vibration a = 0.3 mm, f = 21 Hz. Les courbes sont des ajustements aux lois de croissance en t1/3 (ligne pleine, Lm< δ et bulles en dehors des colonnes) et t1/2 (Lm > δ et bulles dans les colonnes).

Références

1. D. BEYSENS, L’effet des vibrations sur la matière inhomogène : quelques études en apesanteur C. R. Acad. Sci. Mécanique (Paris) 332, 457-465 (2004).

2. D. BEYSENS, D. CHATAIN Study of fluids behaviour under gravity compensated by a magnetic field (Bull. DRFMC 2005)

3. D. BEYSENS, D. CHATAIN, P. EVESQUE, Y. GARRABOS, Dynamics of Phase Transition in H2 Under High Frequency Vibrations, Microgravity sci. technol. XVI - I (2005) pp. 274-278

4. D. BEYSENS, D. CHATAIN, P. EVESQUE, Y. GARRABOS, High-frequency driven capillary flows speed up the gas-liquid phase transition in zero-gravity conditions, Phys. Rev. Lett. 95, 034502 (2005); Physics News Update Number 739 #2, July 29, 2005 by Phil Schewe and Ben Stein Physics Today September (Physics Update page, p9).

5. HEGSETH J., OPRISAN A., GARRABOS Y., NIKOLAYEV V. S., LECOUTRE-CHABOT C. & BEYSENS D. Wetting film dynamics during evaporation under weightlessness in a near-critical fluid, Phys. Rev. E, 72 031602 (2005).

6. D. BEYSENS, Near-critical point hydrodynamics and microgravity, in Mechanics of the 21 century, W. Gutkowski and T. A. Kowalewski (Springer, 2005) pp. 117 – 130.

7. L. QUETTIER, H. FELICE, A. MAILFERT, D. CHATAIN, D. BEYSENS., Magnetic compensation of gravity forces in liquid/gas mixtures: surpassing intrinsic limitations of a superconducting magnet by using ferromagnetic inserts, Europhys. J of Applied Physics32, 167–175 (2005)

8. D. BEYSENS, P. EVESQUE Report of Topical Team “Vibrational phenomena in near-critical fluids and granular matter”, Topical Teams in the Life & physical Sciences, Towards new research applications in space, SP 1281, ESA publication division, co ESTEC, PO Box 299, 2200 Noordwijk, TheNetherlands (2005)

9. S.A. KHRAPAK, G.E. MORFILL, A.V. IVLEV, D.A. BEYSENS, B. ZAPPOLI, “Critical point in complex plasmas”, Physical Review Letters 96, 015001 (2006)

10. D. BEYSENS, D. CHATAIN, P. EVESQUE, Y. GARRABOS, “Vibration-induced ordering of fluids in space and artificial gravity”, French contribution to 2006 COSPAR report (2006)

11. D. BEYSENS, “Vibrations in space as an artificial gravity?”, Europhysics News 37, 22-25 (2006)

12. Y. GARRABOS, D. BEYSENS, C. LECOUTRE, A. DEJOAN, V. POLEZHAEV, V. EMELIANOV, Thermoconvectional phenomena induced by vibrations in supercritical SF under weightlessness, Phys. Rev. E 75, 056317 (2007)

13. D. BEYSENS, D. CHATAIN, P. EVESQUE, Y. GARRABOS, Nucleation and rowth of a bubble pattern under vibrations in weightlessness, (submitted to Europhys. Lett., 2007)

 

Maj : 03/09/2010 (435)

 

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