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Module expérimental "Instabilité et phénomènes non linéaires en hydrodynamique"

Contexte et objectifs :

La transition d’un écoulement en régime laminaire vers un régime chaotique ou turbulent se fait via plusieurs instabilités hydrodynamiques conduisant à des régimes d’écoulements intermédiaires. Les instabilités hydrodynamique sont un sujet très riche aux frontières entre divers domaines scientifiques (mécanique, physique, chimie…). Dans ce modal, nous proposons d’étudier avec le regard de physiciens des systèmes hydrodynamiques simples en se plaçant soit dans un régime dit laminaire et d’en étudier l’évolution, soit en régime de turbulence déjà établie. Nous proposons plusieurs systèmes expérimentaux qui serviront de base pour le modal.

Organisation :

Les 3 ou 4 premières séances seront consacrées à la prise en main des systèmes expérimentaux ainsi qu’à l’apprentissage des méthodes d’analyse des phénomènes observés. A l’issue de ces séances, les élèves détermineront le sujet qu’ils souhaiteront étudier de manière approfondie. A mi-parcours, il est proposé aux élèves de faire un exposé de l’état d’avancement de leurs travaux ainsi que leur perspective, ceci a pour but de préparer l’oral à la fin du MODAL.

Les bases nécessaires pour la compréhension du modal sont introduites en cours de séance.

Aperçu ci-dessous  : 2 exemples de systèmes proposés.

Etude de réseaux de tourbillons (uni ou bi-dimensionnels)

Deux systèmes expérimentaux sont proposés : une ligne de tourbillons (corotatifs ou contrarotatifs) ou un réseau bidimensionnel de tourbillons. Les écoulements sont générés grâce aux forces de Laplace. Le fluide est ionique (eau salé) et le forçage est fait en disposant un réseau d’aimants sous la cellule couplé à un courant électrique dans le liquide.

Selon la puissance électrique injectée, on obtient des écoulements plus ou moins ordonnés. Dans le cas de la ligne de tourbillons, on pourra étudier l’apparition de régimes oscillants et en particulier l’effet des interactions courtes ou moyennes distances entre tourbillons. Dans le cas du réseau 2D, on peut s’intéresser à la dynamique de tourbillons.

 

Ces systèmes ouvrent sur une grande variété de projets : transition vers le chaos, diffusion de colorant dans des régimes plus ou moins turbulent, dynamique de tourbillons (appariements, collisions, comportements collectifs….), régimes turbulents.

Gouttes rebondissantes

Des expériences récentes ont montré la possibilité qu'ont des gouttes d'un fluide de rebondir sur un bain de ce même fluide, lorsque ce dernier oscille verticalement. Les oscillations du bain de fluide empêchent la coalescence de la goutte en effet , elles permettent de renouveler à chaque rebond le film d'air se trouvant entre la goutte et le bain.

Une fois en état de rebond, la goutte déforme le milieu : des ondes amorties apparaissent et perturbent la surface du bain. La goutte va pouvoir adopter différents types de comportements, en terme de périodicité du rebond, de marche spontanée en ligne droite à la surface du liquide. On peut montrer que le comportement des gouttes peut être discuté dans certains régimes en terme d’onde-particule. Dans un premier temps, les différents régimes seront identifiés avant de se focaliser vers un approfondissement choisi par les élèves. (en photo : le système expérimental et une photo de goutte rebondissant à la surface du liquide).