Elastic instability in stratified core annular flow

We study experimentally the interfacial instability between a layer of dilute polymer solution and water flowing in a thin capillary. The use of microfluidic devices allows us to observe and quantify in great detail the features of the flow. At low velocities, the flow takes the form of a straight jet, while at high velocities, steady or advected wavy jets are produced. We demonstrate that the transition between these flow regimes is purely elastic -- it is caused by viscoelasticity of the polymer solution only. The linear stability analysis of the flow in the short-wave approximation captures quantitatively the flow diagram. Surprisingly, unstable flows are observed for strong velocities, whereas convected flows are observed for low velocities. We demonstrate that this instability can be used to measure rheological properties of dilute polymer solutions that are difficult to assess otherwise.Comment: 4 pages, 4 figure

Equilibrium and nonequilibrium fluctuations at the interface between two fluid phases

We have performed small-angle light-scattering measurements of the static structure factor of a critical binary mixture undergoing diffusive partial remixing. An uncommon scattering geometry integrates the structure factor over the sample thickness, allowing different regions of the concentration profile to be probed simultaneously. Our experiment shows the existence of interface capillary waves throughout the macroscopic evolution to an equilibrium interface, and allows to derive the time evolution of surface tension. Interfacial properties are shown to attain their equilibrium values quickly compared to the system's macroscopic equilibration time.Comment: 10 pages, 5 figures, submitted to PR

Linear stability analysis of a horizontal phase boundary separating two miscible liquids

The evolution of small disturbances to a horizontal interface separating two miscible liquids is examined. The aim is to investigate how the interfacial mass transfer affects development of the Rayleigh-Taylor instability and propagation and damping of the gravity-capillary waves. The phase-field approach is employed to model the evolution of a miscible multiphase system. Within this approach, the interface is represented as a transitional layer of small but nonzero thickness. The thermodynamics is defined by the Landau free energy function. Initially, the liquid-liquid binary system is assumed to be out of its thermodynamic equilibrium, and hence, the system undergoes a slow transition to its thermodynamic equilibrium. The linear stability of such a slowly diffusing interface with respect to normal hydro- and thermodynamic perturbations is numerically studied. As a result, we show that the eigenvalue spectra for a sharp immiscible interface can be successfully reproduced for long-wave disturbances, with wavelengths exceeding the interface thickness. We also find that thin interfaces are thermodynamically stable, while thicker interfaces, with the thicknesses exceeding an equilibrium value, are thermodynamically unstable. The thermodynamic instability can make the configuration with a heavier liquid lying underneath unstable.We also find that the interfacial mass transfer introduces additional dissipation, reducing the growth rate of the Rayleigh Taylor instability and increasing the dissipation of the gravity waves. Moreover, mutual action of diffusive and viscous effects completely suppresses development of the modes with shorter wavelengths

Visualisation d'écoulements courbes

Nous décrivons une méthode de visualisation d'écoulements courbes par nappes laser, particulièrement adaptée à l'étude des instabilités centrifuges, telles que l'instabilité de Taylor-Couette, de Dean, de Taylor-Görtler. Cette technique permet de visualiser de façon fine ce qui se passe très près de la paroi courbe, et la manière dont croît l'instabilité le long de l'écoulement. Le principe est simple et permet d'étendre le concept de nappe laser plane à celui de nappe laser conique ou cylindrique. Il consiste à placer dans un faisceau laser une lentille cylindrique inclinée par rapport à la direction du faisceau incident, et une optique de convergence selon que l'on veuille une nappe laser conique ou cylindrique

Visualisation d'écoulements courbes

We describe a visualization method of curved flow by laser sheet, particulary adapted to the study of centrifugal instabilities, as Taylor-Couette instability, Dean, Taylor-Görtler. This method allows to visualize precisely what happens close to the curved wall, and how the instability evolves along the flow. The principle is simple and allows to extend the concept of plane laser sheet to conical or cylindrical laser sheet. A cylindrical lens is inclined to the respect to the incident laser beam. A converging optical system may be used to obtain either conical or cylindrical laser sheet.Nous décrivons une méthode de visualisation d'écoulements courbes par nappes laser, particulièrement adaptée à l'étude des instabilités centrifuges, telles que l'instabilité de Taylor-Couette, de Dean, de Taylor-Görtler. Cette technique permet de visualiser de façon fine ce qui se passe très près de la paroi courbe, et la manière dont croît l'instabilité le long de l'écoulement. Le principe est simple et permet d'étendre le concept de nappe laser plane à celui de nappe laser conique ou cylindrique. Il consiste à placer dans un faisceau laser une lentille cylindrique inclinée par rapport à la direction du faisceau incident, et une optique de convergence selon que l'on veuille une nappe laser conique ou cylindrique

Instabilités à "l'interface" entre deux fluides miscibles. Émergence d'une tension de surface effective

Les instabilités qui peuvent se développer à "l'interface" entre deux fluides miscibles présentent des structures qui sont très proches morpholiquement de celles que l'on observe habituellement à l'interface entre deux fluides non-miscibles. C'est ainsi qu'une couche de glycérine colorée suspendue sous une plaque de verre et placée dans un réservoir d'eau montre le développement de structures organisées. De même, une fine nappe de glycérine s'écoulant dans l'eau se déstabilise sous forme de colonnes tombantes régulièrement espacées. Ces analogies tendent à aller dans le sens de l'existence d'une "tension de surface équivalente" entre fluides miscibles. Cette tension effective, qui n'a de sens qu'aux temps courts, et qui doit irrémédiablement tendre vers zéro avec le temps, peut s'expliquer par l'existence de forts gradients de concentration à "l'interface" entre les deux fluides miscibles

Penetration of a negatively buoyant jet in a miscible liquid

International audienceWe report experimental results on the evolution of a laminar liquid jet injected with negatively buoyant condition in a miscible surrounding liquid. Since molecular diffusion is negligible, the only significant miscible effect is the absence of any surface tension. After an initial intrusion phase, the jet reaches a steady-state characterized by a constant penetration depth. A simple theoretical model is derived and successfully predicts the transient phase as well as the subsequent steady-state in terms of stationary penetration depth and jet's profile. All the experimental points collapse on a master curve involving two dimensionless numbers: the densimetric Froude number Fr and S, a number comparing viscous friction to buoyancy. Finally, this curve obtained for laminar flows is compared to classical results on turbulent fountains.Nous présentons les résultats expérimentaux obtenus sur l`évolution d`un jet laminaire injecté en situation de flottabilité négative dans un liquide environnant miscible. Comme la diffusion moléculaire est négligeable, le seul effet miscible significatif est l`absence de toute tension de surface entre les deux liquides. Après une phase initiale de pénétration, le jet atteint un état quasi-stationnaire caractérisé par une profondeur de pénétration constante. Une modélisation théorique simple permet de prédire la phase transitoire de pénétration ainsi l`état stationnaire qui suit, avec la profondeur de pénétration et le profil de révolution du jet. Tous les points expérimentaux peuvent être regroupés sur une courbe unique à l`aide de deux nombres sans dimensions: le nombre de Froude densitométrique Fr et S qui compare le frottement visqueux à la poussée d`Archimède. Finalement, cette courbe obtenue dans le cas laminaire est comparée aux résultats connus dans le cas turbulent