Études numériques d’instabilités d’une goutte sphérique - TEL - Thèses en ligne Accéder directement au contenu
Thèse Année : 2015

Numerical studies of the instabilities of a spherical drop

Études numériques d’instabilités d’une goutte sphérique

Résumé

We consider in this thesis the stability problem of a spherical drop subjected to a radial bulk force for two different configurations consisting of an oscillating (with or without a constant component) and a constant force. To do so, we use a full three-dimensional parallel front-tracking code for incompressible multiphase flow to calculate the interface motion. The first configuration consist of the spherical analogue of the Faraday instability. We linearize the governing equations about the state of rest and decompose deformations of the interface as spherical harmonics. Generalizing the Kumar and Tuckerman (1994) Floquet procedure to a spherical interface, we present a linear stability analysis for the appearance of standing waves. The most unstable spherical mode at onset predicted by the linear theory agrees with full three-dimensional nonlinear numerical simulations. We interpret the shape in light of theoretical results concerning pattern formation in the presence of O(3) symmetry. The second configuration consists of the spherical analogue of the Rayleigh-Taylor instability when the force is oriented from the heavier to the lighter fluid. We performed numerical simulations for both high and low spherical modenumbers and followed their evolutions up to the nonlinear stage. Finally, we consider a plane interface subjected to an horizontal oscillatory forcing which is called the oscillatory Kelvin-Helmholtz instability. We consider the experimental configuration proposed by Yoshikawa and Wesfreid (2011b) for stably stratified fluids with a high viscosity contrast. Numerical simulations reproduce succesfully the growth and the evolution of the interface.We distinguish a new regime for the interface saturation which was not observed by the original experiment. We obtained a subcritical transition between the two different regimes.
Nous étudions dans cette thèse le problème de la stabilité d’une goutte à l’état sphérique. La goutte est soumise à un forçage qui s’exerce à sa surface de manière purement radiale. Deux configurations sont envisagées : lorsque le forçage est oscillant (avec ou sans une composante constante) et lorsque le forçage est constant. Pour ce faire, nous avons utilisé un code de simulation numérique tridimensionnel pour les écoulements multiphasique incompressibles massivement parallélisé. Le solver combine les méthodes eulériennes et lagrangiennes pour le traitement de la dynamique de l’interface. Le premier problème correspond à l’analogue de l’instabilité de Faraday en présence d’une interface sphérique. Nous avons réalisé une étude de stabilité linéaire en utilisant une décomposition spatiale sur une base d’harmonique sphérique et une généralisation de l’analyse de Floquet de Kumar and Tuckerman (1994) d’une interface plane. Les régions d’instabilités permettent de déterminer le mode sphérique le plus instable. Le mode prédit par la théorie linéaire correspond à celui obtenu à l’aide des simulations numériques non-linéaires. Nous interprétons les motifs que forment ces modes instables sur la surface de la goutte à l’aide de la théorie des bifurcations avec des symétries sphériques de manière générale, et avec la géométrie des solides de Platon pour certain modes en particulier. Le second problème est celui d’un forçage radial constant à l’interface de la goutte. En orientant la force dans le sens opposé à celui du gradient de densité, le problème est similaire à l’instabilité de Rayleigh-Taylor en géométrie sphérique. Nous présentons les résultats préliminaires de nos simulations à très haute résolution pour des grands nombres d’onde sur une sphère en tenant compte de la tension de surface durant les premières phases de l’instabilités. La phase turbulente n’est pas abordée. Pour de petit nombre d’onde, nous avons suivi l’évolution de différent motifs de la condition initiale jusque dans la phase à grandes amplitudes. Un troisième problème est considéré pour un forçage horizontal d’une interface plane. Nous avons reproduit à l’aide de notre solver numérique les expériences de Yoshikawa and Wesfreid (2011b). L’interface entre deux fluides stablement stratifiés avec un fort contraste de viscosité est soumise à un cisaillement oscillant et horizontal. Le problème est celui de l’instabilité de Kelvin-Helmholtz oscillant. Les simulations numériques reproduisent avec succès la croissance et l’évolution de l’interface. Nous distinguons deux régimes où l’interface adopte un comportement qualitativement différent dont un nouvel état à saturation est mis en évidence. Nous avons obtenu que pour ce nouvel état l’interface se déstabilise via une première bifurcation fourche supercritique. Cet état semble subir une seconde bifurcation lorsque la fréquence de forçage dépasse un second seuil avec une transition sous-critique, où deux états existent pour les mêmes paramètres de forçages.
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  • HAL Id : tel-01807621 , version 1

Citer

Ali-Higo Ebo Adou. Études numériques d’instabilités d’une goutte sphérique. Mécanique des fluides [physics.class-ph]. Université Pierre et Marie Curie (UPMC Paris 6), 2015. Français. ⟨NNT : ⟩. ⟨tel-01807621⟩
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