Optohydrodynamics of soft fluid interfaces : Optical and viscous nonlinear effects

Recent experimental developments showed that the use of the radiation pressure, induced by a continuous laser wave, to control fluid-fluid interface deformations at the microscale, represents a very promising alternative to electric or magnetic actuation. In this article, we solve numerically the dynamics and steady state of the fluid interface under the effects of buoyancy, capillarity, optical radiation pressure and viscous stress. A precise quantitative validation is shown by comparison with experimental data. New results due to the nonlinear dependence of the optical pressure on the angle of incidence are presented, showing different morphologies of the deformed interface going from needle-like to finger-like shapes, depending on the refractive index contrast. In the transient regime, we show that the viscosity ratio influences the time taken for the deformation to reach steady state

Ecoulements capillaires et chargés dans les procédés d'élaboration de composites par APS et RMI

Un procédé alternatif envisagé pour la réalisation de matériaux composites [1,2] à matrice céramique consiste à combiner un procédé APS (Aspiration Poudres Submicroniques) avec un procédé RMI (Reactive Melt Infiltration). L'étape APS consiste à assurer une première densification du composite par l'apport, par injection forcée, de nanocharges qui viennent remplir les espaces poraux entre les fibres. La seconde phase, (R)MI, consiste à finir la compaction du milieu composite en amenant cette fois par imbibition la phase métal. Ces deux aspects du procédé sont abordés ici de manière pour l'instant décorrélée car mettant en jeu des phénomènes physiques (filtration - mouillabilité), des équations (Phillips, Darcy-Brinkman,...) et des traitements numériques (VOF-PLIC, ...) spécifiques. Nous présentons des premiers résultats numériques de validation ainsi que le traitement de premiers cas qui permettent d'apprécier la capacité de la modélisation mais aussi les difficultés rencontrées pour les configurations réelles

Approche physique du procédé d’enduction grande vitesse (EGV) d’un filament de carbure de silicium SiC par un alliage de titane liquide

Le procédé EGV consiste à faire passer un filament de SiC au travers d’un bain de titane liquide. Ce procédé bien qu’économiquement rentable induit des artéfacts : déstabilisation de la gaine liquide (formations de gouttes), mauvais mouillage du filament ; effets qu’il convient de maîtriser ou limiter. Cette pluridisciplinarité nous a portés à analyser le problème par voie numérique ainsi qu’expérimentale (dispositif modèle) pour approcher le système industriel par l’étude de cas modèles

Simulation numérique directe de l'ascension d'une particule avec transferts de chaleur.

Le transport de particules possède de nombreux domaines d'application dans le monde industriel tel que : la métallurgie, l'agroalimentaire, l'énergie. Ce phénomène reste encore mal connu d'un point de vue académique. C'est pourquoi, il nous a semblé important d'aborder ce thème. A l'aide de simulations numériques menées à l'échelle d'une particule, nous avons étudié l'hydrodynamique et les transferts thermiques se produisant lors de l'ascension libre d'une particule. Pour cela, nous avons considéré une particule indéformable évoluant dans un fluide Newtonien pour un régime laminaire à des petits nombres de Reynolds (de l'ordre de 10-2 à 10-3). Nous nous sommes placés dans deux configurations différentes pour mener notre étude. Dans les deux cas, pour observer l'écoulement diphasique liquide-solide, nous avons utilisé la simulation numérique directe avec une méthode dite à un fluide. Dans un premier temps, nous avons simulé l'ascension d'une particule ayant une température maintenue fixe progressant dans un fluide possédant une température initiale différente de celle du solide. Afin de valider nos résultats hydrodynamiques, nous avons comparé la vitesse asymptotique que nous avons obtenue numériquement à celle découlant d'une méthode analytique : l'approche de Faxën. En ce qui concerne les transferts thermiques, nous avons comparé le nombre de Nusselt global obtenu numériquement avec celui issu de corrélation pour un écoulement en convection forcée autour d'un cylindre. Après ces confirmations, nous avons entrepris la simulation de l'ascension d'une particule ayant une température évoluant cette fois librement au cours du temps et progressant dans un liquide ayant une température initiale différente de celle du solide. Une discussion sera ensuite menée sur l'influence de la variation de la température au cours du temps sur l'hydrodynamique et les échanges thermiques en s'appuyant sur les résultats obtenus avec la première simulation (température de la particule fixe au cours du temps). Cette étude a été réalisée dans le but d'aborder par la suite un problème plus complexe qui consiste à simuler l'ascension d'une ou plusieurs particules évolutives (avec changement de phase liquide-solide)

Approche du comportement dynamique d'un oxyde liquide dans un matériau composite autocicatrisant MAC

Les matériaux composites à matrice céramique CMC, sont généralement formés d au moins deux matériaux ayant une forte capacité d adhésion. Ces matériaux sont principalement composés de renforts fibreux assurant la tenue mécanique de la structure et d une matrice qui permet sa cohésion. Utilisées principalement dans le domaine de l aéronautique, elles sont reconnues pour leur bonne tenue mécanique, leur réfractarité élevée tout en conservant une densité faible. Par contre, l inconvénient majeur associé à ces matériaux est l apparition de fissures qui sont dues soit au procédé de fabrication soit aux sollicitations mécaniques externes.Dans ce travail, une attention toute particulière est consacrée aux composites à matrice auto-cicatrisante dont la principale propriété est l'aptitude à "réparer" les effets de la fissure par formation d'un verre visqueux.Ces verres visqueux se forment au sein de la fissure grâce à l oxydation des éléments qui constituent la matrice. Selon la température, différents verres peuvent être formés.Leur fonction est de reboucher les fissures de taille micrométrique de façon à ralentir la diffusion de l'oxygène en direction des fibres et éviter leur rupture par oxydation.Cependant, pour des systèmes en rotation rapide tels que les turbines basse pression des moteurs d avion (pièce étudiée actuellement), on peut s'interroger quant à la mobilisation du verre visqueux cicatrisant dans un système complexe géométriquement et inhomogène du point de vue de la nature des surfaces. Pour approcher le comportement du verre cicatrisant dans un système modèle mais néanmoins réaliste, une approche de modélisation numérique a été entreprise. L'outil numérique utilisé pour cette étude est le code de calcul Thétis développé à l I2M. Celui-ci est adapté à ce type de simulation puisqu'il permet la modélisation d'écoulements diphasiques incluant des phénomènes physiques complexes tels que le mouillage. Ainsi, l'objectif de ce travail est-il de déterminer les limites d'utilisation de ce type de matériau en fonction des conditions auxquels il est soumis en évaluant la mobilité du verre cicatrisant dans la fissure.The Ceramic Matrix Composites (CMCs) are generally formed of at least two materials having strong adhesion ability. These materials are mainly composed of fibrous reinforcement which ensures the mechanical resistance of the structure and a matrix which allows its cohesion.Used mainly in aerospace, the CMCs are highly valued for their good mechanical strength, their good refractory properties associated with a low density.However, the major drawback of these materials is cracks formation due to manufacturing process or to external mechanical stresses.In this study, we focus on composite materials having self-healing properties. These materials have the ability to produce healing viscous glasses in presence of oxygen.These viscous glasses are formed in the crack under the influence of oxidation of matrix compounds. Depending on the temperature level, glasses of different natures are formed.Their main role is to reseal the micrometric cracks, to limit oxygen access to the fibers in order to prevent their rupture by oxidation.However, for fast rotating systems such as the low pressure turbine of aircraft engines, we may question about mobilization of such a viscous glass in a system characterized by a complex geometry and chemically inhomogeneous surfaces.Therefore, a numerical approach was undertaken, using "Thetis" software. Developed at I2M, this software allows us modelling two-phase flow in model simplified geometry (reflecting however reality) including complex phenomena such as wetting. Numerical results yield to the determination of operating limitations of CMCs in terms of healing efficiency as a function of external mechanical stresses (rotation) and crack geometry.BORDEAUX1-Bib.electronique (335229901) / SudocSudocFranceF

Simulation numérique de l'hydrodynamique d'interfaces liquide-liquide contrôlées par laser

Le contrôle de la déformation sans contact des interfaces liquides à l'échelle micro-métrique est un enjeu majeur pour toute une série d'applications en micro-fluidique. Une technique originale récemment développée au Laboratoire CPMOH (Bordeaux), consiste à employer la pression de radiation d'une onde laser continue, pour déformer des interfaces liquides à l'échelle du micron. Cela conduit pour de faibles intensité, à des formes en cloche indépendantes du sens de propagation du faisceau puis pour des intensités plus élevées, à des formes surprenantes de tétines quand le faisceau se propage du milieu le plus réfringeant vers le moins réfringeant, ou de jet de micro-gouttes pour une direction de propagation inverse. Afin de mieux comprendre la physique de ces écoulements et en maîtriser les applications, nous avons developpé un outil numérique basé sur la méthode des élements de frontière couplant à la fois l'hydrodynamique et l'électromagnétisme. Les résultats numériques obtenus avec cette méthode sont comparés aux résultats expérimentaux en régime de déformation linéaire et non-linéaire et ceci pour les deux sens de propagation

Simulation of an optically induced asymmetric deformation of a liquid-liquid interface

Deformations of liquid interfaces by the optical radiation pressure of a focused laser wave were generally expected to display similar behavior, whatever the direction of propagation of the incident beam. Recent experiments showed that the invariance of interface deformations with respect to the direction of propagation of the incident wave is broken at high laser intensities. In the case of a beam propagating from the liquid of smaller refractive index to that of larger one, the interface remains stable, forming a nipple-like shape, while for the opposite direction of propagation, an instability occurs, leading to a long needle-like deformation emitting micro-droplets. While an analytical model successfully predicts the equilibrium shape of weakly deformed interface, very few work has been accomplished in the regime of large interface deformations. In this work, we use the Boundary Integral Element Method (BIEM) to compute the evolution of the shape of a fluid-fluid interface under the effect of a continuous laser wave, and we compare our numerical simulations to experimental data in the regime of large deformations for both upward and downward beam propagation. We confirm the invariance breakdown observed experimentally and find good agreement between predicted and experimental interface hump heights below the instability threshold

First analysis of a numerical benchmark for 2D columnar solidification of binary alloys

International audienceDuring the solidification of metal alloys, chemical heterogeneities at the product scale (macrosegregation) develop. Numerical simulation tools are beginning to appear in the industry, however their predictive capabilities are still limited. We present a numerical benchmark exercise treating the performance of models in the prediction of macrosegregation. In a first stage we defined a "minimal" (i.e. maximally simplified) solidification model, describing the coupling of the solidification of a binary alloy and of the transport phenomena (heat, solute transport and fluid flow) that lead to macrosegregation in a fully columnar ingot with a fixed solid phase. This model is solved by four different numerical codes, employing different numerical methods (FVM and FEM) and various solution schemes. We compare the predictions of the evolution of macrosegregation in a small (10×6 cm) ingot of Sn-10wt%Pb alloys. Further, we present the sensitivities concerning the prediction of instabilities leading to banded channel mesosegregations

Stretching and squeezing of sessile dielectric drops by the optical radiation pressure

We study numerically the deformation of sessile dielectric drops immersed in a second fluid when submitted to the optical radiation pressure of a continuous Gaussian laser wave. Both drop stretching and drop squeezing are investigated at steady state where capillary effects balance the optical radiation pressure. A boundary integral method is implemented to solve the axisymmetric Stokes flow in the two fluids. In the stretching case, we find that the drop shape goes from prolate to near-conical for increasing optical radiation pressure whatever the drop to beam radius ratio and the refractive index contrast between the two fluids. The semi-angle of the cone at equilibrium decreases with the drop to beam radius ratio and is weakly influenced by the index contrast. Above a threshold value of the radiation pressure, these "optical cones" become unstable and a disruption is observed. Conversely, when optically squeezed, the drop shifts from an oblate to a concave shape leading to the formation of a stable "optical torus". These findings extend the electrohydrodynamics approach of drop deformation to the much less investigated "optical domain" and reveal the openings offered by laser waves to actively manipulate droplets at the micrometer scale