Les ferrofluides : ondes de surface, résistance de vague et simulation de la convection dans le manteau terrestre - TEL - Thèses en ligne Accéder directement au contenu
Thèse Année : 2000

Ferrofluids : surface waves, wave resistance and simulation of earth mantle convection

Les ferrofluides : ondes de surface, résistance de vague et simulation de la convection dans le manteau terrestre

Résumé

Ferrofluids are stable colloidal solutions of nanoparticles. The influence of a magnetic can generate several hydrodynamic instabilities, either at the interfaces or in the bulk. After a short introduction to ferrofluids, three situations are examined. Surface waves are susceptible to be amplified by a normal magnetic field, leading to the Rosensweig instability. An experiment is designed in order to measure the dispersion relation that is otherwise obtained by linear analysis. The shadowgraph method that is used allows to observe a pre-transitional deformation, as well as azimutal wavelets close to the magnetic field threshold. The wave resistance is the force that puts up against the movement of an object at the surface of a fluid, caused by the emission of surface waves. If its size is much smaller that the capillary length, the wave resistance is to be zero below a critical speed, the minimum velocity of capillary-gravity waves. Beyond, it is an increasing function of the movement speed. An experiment has been designed in order to observe those recent theoretical predictions stemming from linear analysis. Fluids with different viscosities have been employed. With ferrofluids, we show that it is possible to reduce at will the critical velocity. In any case, the critical phenomenon is observed in accordance with the theory. However, the wave resistance seems to be a non-monotonic function of speed. Lastly, the original properties of ferrofluids allow conceiving a magneto-caloric experiment in central geometry, similar to the Rayleigh-Bénard convection. By the use of appropriate scaling laws, a laboratory model is elaborated that simulates the earth mantle convection: the Rayleigh number is in the order of a million. The temperature field is observed by infrared imaging. Moving convection cells are observed, and the Nusselt number is obtained as a function of the Rayleigh number.
Les ferrofluides sont des colloïdes stables de nanoparticules. L'action d'un champ magnétique est à même d'engendrer diverses instabilités hydrodynamiques, qui se produisent aux interfaces ou en volume. Après une courte introduction aux ferrofluides, trois situations sont examinées. Les ondes de surface sont amplifiées par un champ magnétique normal à l'interface, conduisant à l'instabilité de Rosensweig. Une expérience est réalisée pour mesurer la relation de dispersion obtenue théoriquement par l'analyse linéaire. La méthode ombroscopique employée permet de visualiser une déformation prétransitionnelle de l'interface, ainsi que l'apparition d'ondes azimutales au voisinage du champ critique de l'instabilité. La résistance de vague est la force qui s'oppose au déplacement d'un objet en surface,causée par l'émission d'ondes de surface. Si sa taille est très petite devant la longueur capillaire, la résistance de vague est nulle en deçà d'une vitesse critique, puis fonction croissante de la vitesse de déplacement. Une expérience a été réalisée afin d'observer ces prédictions théoriques récentes. Des fluides de différentes viscosités ont été employés. Avec des ferrofluides, il est possible de réduire a volo la vitesse critique. Dans tous les cas, le phénomène critique est bien observé conformément à la théorie. Cependant, la résistance de vague paraît être une fonction non-monotone de la vitesse. Enfin, les propriétés originales des ferrofluides permettent de concevoir une expérience de convection magnéto-calorique en géométrie centrale, en tous points semblable à la convection de Rayleigh-Bénard. Moyennant l'utilisation de lois d'échelle appropriées, un modèle de laboratoire est élaboré qui simule la convection dans le manteau terrestre!: le nombre de Rayleigh avoisine le million. Le champ de température est observé par thermographie infrarouge. Des cellules de convection mobiles sont observées, et le nombre de Nusselt est obtenu en fonction du nombre de Rayleigh.
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Dates et versions

tel-00007235 , version 1 (27-10-2004)

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  • HAL Id : tel-00007235 , version 1

Citer

Julien Browaeys. Les ferrofluides : ondes de surface, résistance de vague et simulation de la convection dans le manteau terrestre. Dynamique des Fluides [physics.flu-dyn]. Université Paris-Diderot - Paris VII, 2000. Français. ⟨NNT : ⟩. ⟨tel-00007235⟩
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