Laboratoire Matière et Systèmes Complexes

Thèse de Paul Boniface effectuée sous la direction de Laurent Limat et Luc Lebon.

Soutenance le mardi 27 mai à 14h

Lieu : Université Paris Diderot, Halle aux Farines, Salle des Thèses. La soutenance sera suivie d’un pot au 6e étage du Bâtiment Condorcet.

Instabilité de Kelvin-Helmholtz et allées de Bénard-von Karman en géométrie rectangulaire confinée

Résumé :

L’instabilité de Kelvin-Helmholtz peut apparaître au sein d’une phase liquide continue lorsque le champ de vitesses de l’écoulement présente un point d’inflexion ou à l’interface entre deux fluides s’écoulant à des vitesses différentes. Ce phénomène et son mécanisme ont été largement étudiés depuis leur mise en évidence au XIXe siècle, mais très peu d’études ont été effectuées dans des géométries confinées, où le développement de l’instabilité est limité, et fermées, où sa convection est impossible.

Dans une cuve rectangulaire nous avons entraîné partiellement par sa surface et en son centre une couche d’eau, à l’aide d’un tapis ou d’une corde en mouvement. Selon les paramètres de l’expérience, l’écoulement peut prendre plusieurs formes. A faible vitesse d’entraînement, le retour du fluide se fait principalement par le fond de la cuve tandis que le tapis entraîne toute la surface latérale. A vitesse élevée, le retour du fluide se fait latéralement ; entre l’entraînement par le tapis et la recirculation latérale, le fort cisaillement peut créer des instabilités de Kelvin-Helmholtz, de part et d’autre du tapis, pouvant sous certaines conditions se coupler et former une allée de vortex dont les propriétés géométriques ne semblent dépendre que du confinement latéral.

On retrouve des allées de vortex de Bénard-von Kármán, sans le forçage traditionnel par un obstacle placé dans l’écoulement. La théorie prédit que ces allées sont stabilisées par le confinement : une bande de stabilité continue calculée par Rosenhead remplace la condition unique de stabilité obtenue par von Karman dans un plan infini. Nos expériences sont une des premières vérifications expérimentales de cette prédiction.