Laboratoire de Mécanique des Fluides et d'Acoustique - UMR 5509

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Laboratoire de Mécanique des Fluides et d’Acoustique
Lyon
France


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Équipe Phénomènes convectifs couplés

Convection et instabilités en présence d’ondes ultrasons

Convection et instabilités en présence d'ondes ultrasons

Valéry Botton, Hamda Ben Hadid, Daniel Henry, Séverine Millet, S. Kaddeche

La propagation d’ondes acoustiques dans un fluide peut entraîner la création d’un écoulement stationnaire à grande échelle, connu sous le nom d’acoustic streaming. Deux types d’acoustic streaming nous intéressent : l’Eckart streaming pour lequel le mouvement est créé au sein du fluide par les tensions de Reynolds résultant du passage de l’onde acoustique, le Rayleigh streaming pour lequel les tensions de Reynolds agissent dans les couches limites acoustiques qui se développent le long des parois solides.

Vidéo montrant la mise en mouvement du fluide par acoustic streaming.

Dans le cas du Rayleigh streaming, nous avons regardé son action sur les instabilités affectant l’écoulement chauffé de Hadley dans une couche infinie (collaboration avec S. Kaddeche (Tunisie) [A67]), puis l’écoulement dans une cavité 3D chauffée à ses extrémités (post-doc de H. Lei (Chine) [A73]). Nous avons mis en évidence une stabilisation des instabilités les plus critiques obtenues à faibles valeurs du nombre de Prandtl Pr, mais pour des valeurs de Pr plus fortes, certaines instabilités, originellement non-critiques, sont fortement déstabilisées par le champ ultrason et peuvent devenir les plus critiques.

Dans le cas de l’Eckart streaming, nous avons tout d’abord étudié son action sur les instabilités apparaissant dans une couche infinie quand elle est soumise à un gradient de température horizontal (écoulement de Hadley). Pour de petites largeurs de source ultrason, les situations sont déstabilisées, mais pour de plus grandes largeurs, des effets de stabilisation peuvent être obtenus dès que l’onde ultrason est appliquée. Un bon choix de décentrement du faisceau peut aussi améliorer cette stabilisation [A77, A92, A97]. Des calculs par méthode de continuation en cavité 3D de dimensions 4x1x1 montrent que, dans cette situation aussi, la transition oscillatoire peut être stabilisée par l’action du champ ultrason. Cette stabilisation évolue avec la longueur de la cavité et le nombre de Prandtl [A85, A88] (thèse de W. Dridi). Nous avons aussi montré l’effet stabilisant pouvant être obtenu par l’Eckart streaming dans le cas de la situation de Rayleigh-Bénard [A102].

Une expérience visant à mettre en évidence les caractéristiques de l’Eckart streaming en rapport avec les propriétés du champ acoustique a aussi été développée dans l’équipe sous la conduite de V. Botton. Des résultats intéressants ont pu être obtenus sur les caractéristiques du jet d’acoustic streaming en champ proche et en champ lointain, et sur les oscillations pouvant se produire. Un modèle a été développé qui permet de bonnes comparaisons des calculs numériques avec les expériences [A111, A112, A115] (thèse de B. Moudjed).

Vidéo montrant l’oscillation du jet (en haut composante longitudinale de la vitesse, en bas composante transverse).

L’écoulement créé par un faisceau acoustique qui se réfléchit sur une paroi en verre a aussi été analysé expérimentalement et numériquement. De bonnes comparaisons sont obtenues [A118].

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Ecoulement généré par un faisceau réfléchi (résultat expérimental).