Étude expérimentale des instabilités viscoélastiques dans le système Couette-Taylor
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Le HavreDisciplines:
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Abstract EN:
The present thesis involves the study of transition to turbulence in Taylor Couette Flows of viscoelastic fluids. In this study, the following polymers solutions were used: (1) semi-dilute solutions of polyethylenoxide (PEO) in a water based solvent, and (2) dilute solutions of PEO in a solvent made of polyethylene glycol (PEG) and water. The PEO solutions exhibit viscoelasticity, including a shear thinning behavior, while PEO+PEG exhibit viscoelasticity but no shear-thinning. Two flow visualisation techniques were used to characterize the velocity field. The thesis is divided into three parts. The first part details the results of chromotography, light-scattering and rheological measurements of the solutions in the study. The second part is dedicated to the inertioelastic instabilities of both PEO and PEO+PEG solutions. It is observed that the first instability mode can occurs in the form of two counter propagating spirals, called the left waves and right waves. These waves propagate along and around the axis of the cylinder. The third part is devoted to first instability mode in non-shear thinning solution (PEO+PEG). This mode appears as large elastic vortices. A statistical approach is conducted to determine the vortex structure, drift velocity of the vortices, the turbulent fraction and the size and average lifetime of an isolated elastic vortex. A quantitative study of the elastic vortices is done by PIV. The quantities measured are the radial velocity field, axial vorticity fields, the energy and the strain rate tensor. The results obtained are in good agreement with the previous study. A stability diagram is used to emphasize different types of regime observed.
Abstract FR:
Notre travail s’inscrit dans le contexte de la transition vers la turbulence dans les écoulements de Couette-Taylor des liquides viscoélastiques. Pour cela, nous avons utilisé deux types de solutions de polymère : des solutions aqueuses semi-diluées de polyoxyéthylène (POE), qui sont viscoélastiques et présentent un caractère rhéofluidifiant, et des solutions diluées de POE dans un solvant composé de polyéthylène glycol (PEG) et d’eau, et qui sont viscoélastiques mais non rhéofluidifiantes. La première partie est consacrée aux résultats de la chromatographie, de la diffusion de la lumière et aux mesures rhéologiques des solutions étudiées. La deuxième partie est dédiée aux instabilités inertioélastiques pour les deux sortes de solutions. Le premier mode d’instabilité observé est formé de deux spirales contrapropagatives, appelées ondes gauche et droite, se propageant le long et autour de l’axe des cylindres. Ce mode critique d’instabilité présente aussi une propagation radiale vers le cylindre extérieur. La dernière partie est consacrée aux instabilités purement élastiques. Elles ont été observées comme premier mode d’instabilité dans les solutions POE+PEG, sous forme de tourbillons isolés. Une approche statistique a été menée pour caractériser ces tourbillons élastiques et une étude quantitative via la PIV. Nous avons mesuré les champs de vitesses radiale et axiale, les champs de vorticité et d’énergie massique, ainsi que le tenseur des taux de déformation. Nous avons synthétisé nos résultats des régimes observés et nous les avons comparés aux résultats antérieurs. Enfin, nous avons fournit un diagramme de stabilité qui réunit les différents types de régimes observés.