Y-shaped jets driven by an ultrasonic beam reflecting on a wall

International audienceThis paper presents an original experimental and numerical investigation of acoustic streaming driven by an acoustic beam reflecting on a wall. The water experiment features a 2 MHz acoustic beam totally reflecting on one of the tank glass walls. The velocity field in the plane containing the incident and reflected beam axes is investigated using Particle Image Velocimetry (PIV). It exhibits an original y-shaped structure: the impinging jet driven by the incident beam is continued by a wall jet, and a second jet is driven by the reflected beam, making an angle with the impinging jet. The flow is also numerically modeled as that of an incompressible fluid undergoing a volumetric acoustic force. This is a classical approach, but the complexity of the acoustic field in the reflection zone, however, makes it difficult to derive an exact force field in this area. Several approximations are thus tested; we show that the observed velocity field only weakly depends on the approximation used in this small region. The numerical model results are in good agreement with the experimental results. The spreading of the jets around their impingement points and the creeping of the wall jets along the walls are observed to allow the interaction of the flow with a large wall surface, which can even extend to the corners of the tank; this could be an interesting feature for applications requiring efficient heat and mass transfer at the wall. More fundamentally, the velocity field is shown to have both similarities and differences with the velocity field in a classical centered acoustic streaming jet. In particular its magnitude exhibits a fairly good agreement with a formerly derived scaling law based on the balance of the acoustic forcing with the inertia due to the flow acceleration along the beam axis

On the effect of thermodiffusion on solute segregation during the growth of semiconductor materials by the vertical Bridgman method

The effect of thermodiffusion on dopant distribution in the melt and in the grown crystal is investigated numerically for a vertical Bridgman configuration for situations of pure thermal convection corresponding to dilute alloys. The dopant distribution is shown to be significantly affected by the Soret parameter value. The sensitivity of the system to a variety of parameters, including the Grashof number and the so-called furnace residence time, i.e. the time during which the crucible is maintained in the furnace before initiating the solidification process, is assessed by means of parametric simulations. Moreover, the results indicate that variations in the sign of the Soret parameter can lead to diametrically opposite behaviours, while an increase in the intensity of the thermal convection generally leads to a mitigation of the effects induced by thermodiffusion. On the basis of the numerical results some useful criteria are drawn which could help crystal growers to discern the complex interrelations among the various parameters under one’s control (that are not independent of one another) and to elaborate rational guidelines relating to strategies to be used to improve the quality of the resulting crystals

Etude de stabilité linéaire de l'écoulement multicouche de films non-Newtoniens sur un plan incliné

Il s'agit d'une analyse temporelle de stabilité linéaire de l'écoulement stratifié de films sur un plan incliné. Nous nous sommes intéressés au cas de deux couches non miscibles de fluides non-newtoniens. La rhéologie des fluides étudiés est décrite par la loi de Carreau, selon laquelle une augmentation du taux de cisaillement dans l'écoulement génère une diminution locale de la viscosité du fluide. Une méthode spectrale de collocation basée sur les polynômes de Chebyshev a été employée pour la discrétisation de l'équation d'Orr-Sommerfeld généralisée, résolue sous forme d'un problème aux valeurs propres. Les effets de la stratification en densité ont été étudiés dans le cas où la couche inférieure est la moins visqueuse. Cette situation est favorable à l'apparition des instabilités interfaciales. Nous avons pu mettre en évidence l'existence d'un rapport de densité seuil à partir duquel on observe un basculement d'une instabilité de grande longueur d'onde à une instabilité de longueur d'onde modérée. L'influence des propriétés rhéofluidifiantes des fluides sur la position de ce seuil a été également étudiée

Célérité des ondes à la surface d'un film non newtonien s'écoulant par gravité sur un substrat poreux

On présentera un travail concernant un écoulement de film visqueux sur un plan incliné. Le fluide et purement visqueux, rhéofluidifiant, et peut être modélisé par exemple à l'aide d'un loi de Carreau. Les résultats théoriques concernent la stabilité linéaire de l'écoulement. Un dispositif expérimental sera présenté :il consiste en un plan incliné sur lequel on étudie les ondes de surface pour des fluides tels que des solutions de CMC ou Xanthan dans l'eau

Ecoulement généré par un faisceau d'ultrasons se réfléchissant sur une paroi

Le phénomène d'Acoustic Streaming permet de générer des écoulements permanents à l'aide d'ondes acoustiques. Notre équipe s'intéresse en particulier à la possibilité de créer un jet au sein d'un liquide à l'aide d'un faisceau d'ondes ultrasonores progressives. Nous avons en particulier publié plusieurs études expérimentales et théoriques montrant les ordres de grandeurs que l'on peut attendre dans ce type de jet, et la possibilité qu'ils offrent en termes de contrôle d'instabilité de convection. Nous nous intéressons ici au cas où le faisceau se réfléchi sur une paroi du réservoir contenant le liquide. En effet la plupart des applications envisagées sont en milieu relativement confiné et ce type de réflexion parait inévitable. Nous montrons comment prendre en compte cette réflexion du faisceau grâce à un modèle simple de propagation acoustique linéaire dont on déduit un champ de force générant l'écoulement. Nous montrons la bonne adéquation entre les champs de vitesses mesurés par PIV dans notre dispositif ASTRID (Acoustic STReaming Investigation Device) et les champs de vitesses obtenus numériquement à l'aide de notre modèle numérique sous STARCCM+

Etude expérimentale de la stabilité de l'écoulement de films de fluide non Newtonien sur plan incliné

Nous étudions la stabilité de l'écoulement de films de fluide rhéofluidifiant (pseudoplastique) sur plan incliné. Nous modélisons la viscosité des fluides utilisés par la loi de Carreau. Afin de caractériser nos fluides, nous utilisons l'électrocapillarité comme technique optique consistant à étudier la propagation et l'atténuation d'ondes capillaires. Les résultats de mesures permettent en particulier de déterminer la viscosité à des valeurs de cisaillement aussi faibles que 10-3 s-1. Notre objectif est d'étudier expérimentalement la stabilité de films rhéofluidifiants sur plan incliné. Pour des valeurs fixées de l'angle d'inclinaison, nous avons déterminé le seuil critique expérimental et tracé la courbe marginale de stabilité sur les plans (Re, f) et (Re, k) pour nos différents fluides. Nous trouvons que nos résultats expérimentaux sont en bon accord avec les résultats numériques, et confirment l'effet rhéofluidifiant déstabilisant relativement au cas Newtonien

Convection naturelle dans une cavité confinée: une modélisation 2D ½

Le sujet de thèse porte sur les effets de la convection naturelle et forcée sur le changement de phase solide-liquide. Un intérêt est porté aux métaux purs et aux alliages métalliques. Ce travail s'effectue dans le cadre d'une cotutelle internationale de thèse entre l'Université des Sciences et de la Technologie Houari Boumediene (USTHB) d'Alger et l'Institut National des Sciences Appliquées Lyon (INSA Lyon). A Lyon, le Laboratoire de Mécanique des Fluides et d'Acoustique, et à Alger, le Laboratoire de Thermodynamique et Systèmes Énergétiques (LTSE), accueillent le doctorant en alternance. Le salaire du doctorant est financé par à une bourse ministérielle algérienne, et ses séjours en France par une bourse d'excellence cofinancée par les gouvernements français et algérien dans le cadre du programme ?Profas B+'. Ces travaux sont codirigés par le Pr. V. Botton, et le Dr. S.Millet, pour l'Université de Lyon et par le Pr. A. Benzaoui, et le Dr R .Boussaa pour l'USTHB d'Alger. Cette collaboration permet d'assoir les projets de coopération entre les équipes de recherche des deux laboratoires partenaires, par ailleurs soutenus par un projet PHC Maghreb (Algérie, France, Maroc et Tunisie). Le but de l'étude est de réaliser un modèle numérique efficace d'une expérience de solidification dirigée dans une géométrie élancée. L'objectif est de permettre une résolution à la fois précise et rapide de sorte qu'une étude paramétrique soit possible, par exemple dans le cadre de méthodes d'optimisation. Dans notre cas, nous considérons le montage expérimental ?AFRODITE' mis en ?uvre au laboratoire EPM-SIMaP (à Grenoble) [1]. Le creuset est une cavité parallélépipédique de 10 cm de longueur, 6 cm de hauteur et d'une épaisseur de 1 cm. Le gradient de température imposé est horizontal et la direction de solidification est suivant la longueur. Il a été précédemment constaté que les modèles numériques purement 2D (considérant une cavité 10 cm * 6cm) peinaient à reproduire la réalité physique du processus de solidification notamment l'avancée et la forme de l'interface solide/liquide tout en prédisaient des niveaux de convection et d'instationnarité trop élevés. Nous attribuons cela au confinement latéral (faible valeur de l'épaisseur) par les deux grandes parois verticales le délimitant : l'écoulement de la phase liquide est fortement ralenti par l'adhérence à celles-ci. Les modèles 3D pallient ce manque, mais restent coûteux en temps et/ou en moyens de calcul [2]. Un modèle 2D modifié dit 2D ½ a été proposé [3]. Celui-ci est basé sur une approche intégrale suivant la direction transverse (celle de la petite dimension). Il est obtenu en supposant une température invariante sur cette direction, ce qui est vraisemblable pour les métaux liquides, à faible nombre de Prandtl, et en choisissant une forme de profil transverse de vitesse présentant un c?ur uniforme et deux couches limites près des parois. Ce modèle présente à la fois l'avantage de prendre en compte au premier ordre la dissipation de l'énergie mécanique due aux parois latérales et dans une formalisation mathématique 2D. Deux modèles 2D ½ sont repris. On compare les résultats obtenus par les différents modèles 2D, 2D ½ et 3D. On montre que pour les faibles nombres de Prandtl, et ce pour différents nombres de Grashof, le modèle 2D ½, avec un choix adéquat du type de profil transverse de vitesse considérée, peut se substituer au modèle 3D. [1] Hachani et al., International Journal of Heat and Mass Transfer, 85,438-454, (2015). [2] Boussaa et al., International Journal of Heat and Mass Transfer, 100, 680-690 (2016). [3] Botton et al., International Journal of Thermal Sciences, 71, 53-60 (2013)

Stabilité de l\u27écoulement multicouche de films non newtoniens sur un plan incliné

Le travail présenté est une analyse de stabilité linéaire de l\u27écoulement de films superposés de fluides non newtoniens sur un plan incliné. La connaissance des conditions d\u27apparition des instabilités dans ce type d\u27écoulements intéresse particulièrement le secteur industriel faisant appel à des méthodes de couchage. Il est en effet intéressant de pouvoir maîtriser le déclenchement des instabilités en vue de les empêcher de nuire à la qualité du résultat. Nous nous sommes intéressés au cas de fluides rhéofluidifiants, dont la viscosité est décrite par la loi de Carreau. Une première partie est consacrée au cas d\u27une seule couche. Trois approches complémentaires sont exploitées : une approche asymptotique, considérant un comportement faiblement non newtonien dans la limite des grandes longueurs d\u27onde, une approche phénoménologique utile à la compréhension des mécanismes de l\u27instabilité et une approche numérique. Cette dernière s\u27appuie sur la résolution sous forme d\u27un problème aux valeurs propres de l\u27équation d\u27Orr-Sommerfeld généralisée par la méthode spectrale de collocation de Tchebychev. Ce travail est étendu par une étude à deux couches. Nous avons mis en évidence les effets de chaque paramètre sur la stabilité de l\u27écoulement (propriétés rhéofluidifiantes, tensions de surface, rapport des débits, densités et viscosités). Enfin, en vue de découvrir l\u27origine des instabilités, un bilan énergétique a été formulé afin d\u27identifier les termes qui produisent de l\u27énergie. Nous avons montré le rôle clé joué par le cisaillement aux interfaces pour expliquer l\u27influence des propriétés rhéofluidifiantes sur les différentes contributions du bilan énergétique

Instabilities in viscosity-stratified two-fluid channel flow over an anisotropic-inhomogeneous porous bottom

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