Convection thermique lorsque la viscosité dépend fortement de la température: du laboratoire aux planètes
ANR PTECTO
La forte variation de la viscosité en fonction de la température introduit une asymétrie entre les couches limites ("CL") froides, plus visqueuses, et les CL chaudes. Différents régimes de convection sont alors observés, résultant des interactions entre CL. A faible nombre de Rayleigh, la convection demeure cellulaire (figure du haut) alors qu'à haut nombre de Rayleigh, plusieurs échelles de convection se superposent (figure du bas). Ceci pourrait e partie expliquer la répartition du volcanisme intraplaque sur Terre.
Mécanique des polycristaux et écoulement convectif dans le manteau terrestre
Lorsque les roches du manteau terrestre se déforment, les cristaux qui les composent présentent une distribution non-aléatoire d’orientations (CPO en anglais) que l’on peut détecter avec des ondes sismiques. Afin de pouvoir interpréter une CPO en termes d’écoulement convectif, nous développons une théorie de la mécanique des polycristaux qui serait capable de prédire la rotation des cristaux due à une déformation. L’image est une lame mince d’une roche du manteau sous une lumière polarisée.
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Rôle de la convection naturelle sur le transport d'un soluté dans un canal microfluidique
Nous avons étudié le rôle de la convection naturelle solutale sur le mélange par diffusion de solutions de concentrations différentes dans un canal microfluidique (dimensions transverses 5-500 µm). A partir de simulations numériques 2D, 3D et de modèles asymptotiques, nous montrons que le mélange se fait selon une succession de régimes dépendant du seul nombre de Rayleigh. Notre travail permet non seulement de délimiter les régimes pour lesquels la convection naturelle ne peut pas être négligée, mais aussi de décrire quantitativement les écoulements gravitaires aux échelles microfluidiques.
J.B. Salmon, L. Soucasse, F. Doumenc Phys. Rev. Fluids 6,034501 (2021)
DOI: https://doi.org/10.1103/PhysRevFluids.6.034501
Dynamique d'un film tombant tridimensionnel
Collaborations : B. Scheid (ULB, Bruxelles), W. Rohlfs et Reinhold Kneer (RWTH Aachen)
Les ondes tridimensionnelles sur la surface libre d'un
film liquide tombant intensifient le transport convectif
dans les phases avoisinantes, influant ainsi sur l'efficacité
de procédés multiphasiques comme la distillation. Ici, nous étudions par
simulation numérique (méthode VOF-CSF) l'effet des ondes
sur le champ de vitesse et vice versa.
Dynamique de la subduction libre
La subduction, ou la plongée de la lithosphère océanique dense
dans le manteau terrestre, représente un des composants majeurs de la
tectonique des plaques.
Nous construisons des modèles tridimensionnels de l’écoulement
associé à la subduction afin de mieux comprendre les facteurs
physiques qui contrôlent les morphologies très variées des
plaques subduites vues par la tomographie sismique, avec l’accent
sur l’interaction des plaques avec le changement de phase à 660 km
de profondeur. L’image montre trois morphologies de plaque
possibles selon le rapport de la viscosité de la plaque même et celle du
manteau environnant.
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Des suspensions colloidales à la Tectonique des Plaques: Rhéologie, localisation de la déformation et convection lors du séchage de fluides complexes
ITN Marie Curie CRYSTAL2PLATE, ANR PTECTO
Lors du séchage d'une suspension colloidale, l'évaporation du solvant induit un
enrichissement en particules et une modification du contenu ionique, ce qui influence fortement la rhéologie. En conséquence, sont observées des bandes de cisaillements, des fractures, ou encore la génération épisodiques de bulles. En couche épaisse, une peau se forme à la surface et des mouvements de convection se développent. En fonction de la rhéologie de la peau, plusieurs régimes sont observés. Ceux-ci présentent de grandes similarités avec les planètes (subduction et tectonique des plaques sur Terre, renouvellement épisodique de la surface sur Venus,...).
Instabilités thermiques dans les fluides à seuil
ITN Marie Curie CRYSTAL2PLATE, ANR PTECTO
Nous étudions les conditions d'existence et la morphologie des instabilités générées par une source ponctuelle de chaleur dans le carbopol, un fluide à seuil. La morphologie en doigt (à gauche de la figure) est radicalement différente de la morphologie en champignon des panaches observés dans les fluides newtoniens. Elle est due à la forte localisation de la déformation sur le pourtour de l'instabilité (à droite).
Cisaillement d'un film tombant par un contre-écoulement d'air
La dynamique des ondes se développant à la surface d'un film liquide tombant est modifiée lorsqu'un contre-écoulement de gaz est imposé à l'interface. Nous analysons expérimentalement le comportement du film soumis à des vitesses de gaz croissante. Nous recherchons les conditions pour lesquelles le train d'ondes rebrousse chemin avant d'être détruit, situation désignée comme étant l'engorgement de notre système. La photo ci-contre illustre un cas pour lequel l'écoulement de gaz génère des structures 3D localisées de grande amplitude et rapides empêchant l'apparition de l'engorgement.
Transport scalaire au sein d'un film liquide tombant
Collaborations : C. Ruyer-Quil (USMB, Chambéry), M. Ishimura et S. Mergui (FAST)
Dans le cadre du projet ANR wavyFILM, nous étudions l'écoulement d'un film liquide tombant produisant des ondes
de surface solitaires en raison d'une instabilité interfaciale. Les corrugations pariétales permettent d'intensifier le transport convectif
au sein de ces ondes et ainsi d'augmenter le transfert de chaleur/masse à travers l'interface gaz-liquide. Les simulations
numériques ci-contre, réalisées avec le code Gerris, montrent l'effet de différents types de corrugation sur le champ
d'un scalaire passif transporté au sein du liquide par une équation de convection-diffusion. Le nombre de Péclet
étant grand, le transport est dominé par la convection. Les corrugations augmentent de 30% le coefficient
d'échange moyen.
G. F. Dietze J. Fluid Mech. 859, 1098 (2019)
Ecoulements diffus dans les sources hydrothermales océaniques
ANR PTECTO
Nous avons développé une nouvelle méthode de mesures des champs de vitesse au fond des océans basée sur le background-oriented shlieren et l'analyse d'images video du plancher océanique. Particulièrement adaptée aux écoulements "diffus" sortant des fractures autour des sources hydrothermales, elle nous a permis de montrer que les circulations liées aux fractures surpassaient celles des fumeurs et dominaient sans doute le bilan de flux de chaleur des champs hydrothermaux.
Vermiculation dans les grottes
La photo ci-contre représente la paroi rocheuse d'une grotte, sur laquelle apparaissent des vermiculations (en forme de vers, en noir sur la photo). Il s'agit d'un phénomène fréquemment observé dans les milieux souterrains et qui correspond à la formation spontanée d'agrégats de matériaux initialement présents sur les parois (argiles, calcite, matière organique...). Ce phénomène devient très problématique s'il survient dans une grotte ornée car il peut endommager les peintures pariétales en déplaçant des pigments. Les études développées ont pour but de comprendre les mécanismes à l'origine de la perte de cohésion du matériau sur la paroi, dans l'objectif d'améliorer les méthodes de conservation des grottes ornées.
J. Martin et F. Doumenc EPL 138, 13001 (2022)
doi:10.1209/0295-5075/ac5cdc
Thermique des massifs karstiques
Les massifs karstiques sont des structures géologiques complexes, comprenant généralement un réseau de rivières souterraines, de grottes et de conduits. Ces cavités souterraines sont un écosystème fragile dans lequel les processus biogéochimiques dépendent fortement de la température. Il est donc important de pouvoir déterminer l'évolution spatiale et temporelle du champ de température en fonction de la structure du massif et des conditions climatiques extérieures. La figure ci-contre est une simulation numérique illustrant à un instant donné la perturbation thermique induite dans un massif par la présence d'une cavité peu profonde (environ une dizaine de mètres sous la surface).
B. Qaddah et al. Int. J. Therm. Sci. 177, (2022)
https://doi.org/10.1016/j.ijthermalsci.2022.107524
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