Mélange des dynamiques dans des fontaines turbulentes confinées

Mélanger des liquides dans des Fontaines est un sujet intéressant en dynamique des fluides. Dans cette étude, on regarde comment le mélange se produit dans des fontaines turbulentes très confinées, en particulier dans des fontaines quasi-bidimensionnelles. Les fontaines apparaissent quand la force qui pousse le fluide vers le haut est plus forte que celle qui le tire vers le bas à cause de la flottabilité.

#Aperçu de l'Étude

On a divisé notre recherche en deux parties principales. D'abord, on a créé une fontaine en injectant un mélange d'éthanol et d'huile dans de l'eau calme, qu'on a appelé le mélange ouzo. Ce mélange a formé une fontaine qui a généré de minuscules gouttelettes d'huile. On a découvert que la plupart du mélange se produisait au bord de la fontaine, et il n'y avait pas beaucoup de mélange au centre. Pour confirmer ça, on a injecté une solution d'éthanol coloré dans la fontaine et on a vu que la fraction d'eau locale n'était pas suffisante pour créer de nouvelles gouttelettes au centre de la fontaine.

Ensuite, on a regardé comment changer la Densité du fluide affecte le mélange. On a injecté des solutions d'eau salée dans de l'eau calme à différents débits. Ces expériences ont montré un meilleur mélange quand la différence de densité entre le fluide de jet et l'eau environnante était plus grande. Cependant, à l'état stable de la fontaine, le Flux extérieur couvrait le flux principal de la fontaine, réduisant le mélange et augmentant les Concentrations au milieu. Nos résultats indiquaient qu'une plus grande différence de densité mène à un meilleur mélange car cela étire plus le fluide, permettant aux composants de mieux se mélanger.

#Importance des Fontaines Turbulentes

Les fontaines turbulentes sont importantes dans de nombreux domaines, comme l'industrie et la nature. Les fontaines se forment quand un flux de fluide pousse contre les forces de flottabilité. Au départ, le flux agit comme un jet positivement flottant, attirant du fluide environnant et s'étalant. Une fois que la force de flottabilité devient plus forte que la force de poussée, le flux commence à changer de direction, créant une structure avec une région intérieure et extérieure. Après un certain temps, le flux se stabilise et la fontaine atteint une hauteur stable.

Dans des études précédentes, les chercheurs se sont concentrés sur la mesure des différentes propriétés et comportements des fontaines turbulentes. Par exemple, ils ont regardé comment la vitesse de la source, la taille de l'aiguille et la densité du liquide contribuent tous à la forme et à la hauteur de la fontaine. Beaucoup de ces études examinaient aussi à quel point la fontaine entraîne le fluide environnant, ce qui est crucial pour comprendre le mélange dans les flux turbulents.

#Défis dans les Études de Mélange

Bien que comprendre la forme et le comportement des fontaines ait attiré l'attention, le mélange à l'intérieur était souvent négligé à cause de leur structure complexe. Des recherches récentes ont commencé à combler cette lacune, examinant l'entraînement et le mélange de plus près. Certaines études ont estimé le volume de fluide étant mélangé et caractérisé la structure de la fontaine en utilisant des profils de vitesse et de concentration. D'autres ont regardé les motifs d'écoulement au sommet de la fontaine, constatant que le mélange ne signifie souvent pas dilution au sommet de la fontaine.

Différents types de fontaines ont aussi été observés, comme les fontaines linéaires provenant de fentes rectangulaires et les fontaines avec des niveaux de confinement variés. Les chercheurs ont classé les fontaines selon leur écoulement et les paramètres qui les affectent. Cependant, peu d'études se sont concentrées spécifiquement sur comment la forme et le confinement d'une fontaine influencent le mélange.

#Approches Expérimentales

Le mélange joue un rôle clé en dynamique des fluides. Il affecte comment le flux se développe et comment les concentrations changent au fil du temps. Par exemple, certains chercheurs ont utilisé des méthodes visuelles pour représenter le mélange, montrant que le mélange peut être amélioré par des processus de brassage ou d'étirement. Plusieurs méthodes peuvent mener à des échelles de mélange plus petites, finalement affectées par la diffusion moléculaire.

Les études précédentes se sont principalement concentrées sur le mélange dans des flux lents et laminaires, laissant le mélange turbulent dans des espaces confinés relativement inexploré. Dans cette étude, on visait à quantifier le mélange dans des fontaines confinées à travers deux ensembles d'expériences.

#Configuration Expérimentale

Pour nos expériences, on avait deux configurations : une pour l'injection vers le bas du mélange ouzo et une autre pour l'injection vers le haut de solutions salines. Les deux configurations impliquaient d'injecter des fluides à travers de fines aiguilles dans un grand réservoir d'eau calme. La première partie de notre étude a utilisé une aiguille ronde pour injecter le mélange ouzo et de l'éthanol teinté.

Dans la deuxième partie, on a changé d'aiguille et injecté des solutions salines de différentes concentrations pour former des fontaines dans un environnement contrôlé. On a soigneusement surveillé le flux, en utilisant des caméras haute vitesse pour visualiser le processus de mélange et évaluer la concentration des fluides dans la fontaine.

#Méthodes de Mesure de Concentration

On a utilisé une technique d'atténuation de la lumière pour mesurer comment la lumière passait à travers le fluide et déduire la concentration des différents composants. Cette méthode nécessitait une calibration précise pour assurer des lectures exactes. On a enregistré des images des fontaines à divers intervalles pour suivre les changements dans la concentration du fluide au fur et à mesure qu'elle évoluait.

#Résultats des Expériences

#Fontaines d'Ouzo et d'Éthanol Teinté

Dans nos premières expériences avec le mélange ouzo et l'éthanol teinté, on a observé comment le flux ascendant changeait au fil du temps. Le flux est passé par trois étapes principales :

1. Étape du Jet Négativement Flottant : À ce stade, le flux initial a commencé à se répandre et à attirer de l'eau environnante.
2. Étape de Renversement du Flux : Ce stade a vu le flux commencer à s'inverser alors que la flottabilité dépassait la poussée vers le haut.
3. Étape de Fontaine Quasi-Stable : Le flux s'est stabilisé autour d'une hauteur constante, montrant peu de changements de concentration.

On a trouvé que le mélange était très limité dans la fontaine ouzo. Les gouttelettes d'huile ne nucléaient pas au centre de la fontaine mais étaient plutôt confinées au bord extérieur. Cette observation indique que le flux extérieur ne permettait pas beaucoup de mélange à l'intérieur de la fontaine.

#Fontaines Salines

Dans nos expériences salines, on a examiné comment différentes concentrations d'eau salée affectaient le mélange. En variant les concentrations de chlorure de sodium et les débits, on a noté des changements dans la hauteur de montée de la fontaine et la concentration du fluide.

La concentration centrale dans les fontaines salines a été suivie au fil du temps alors qu'elles traversaient les mêmes trois étapes décrites plus tôt. Au départ, les concentrations ont chuté brusquement lors de la première étape, indiquant une dilution rapide. À mesure que la fontaine atteignait l'étape stable, les concentrations ont commencé à se stabiliser, suggérant que le flux extérieur avait un impact significatif sur la limitation du mélange ultérieur.

#Comparaison des Résultats

En comparant les fontaines salines aux fontaines ouzo, on a révélé des différences significatives de comportements principalement dues aux différentes approches d'injection et propriétés des fluides. Les fontaines salines, avec leurs variétés de différences de densité, ont montré que le degré de mélange dépendait plus des différences de densité que d'autres facteurs.

#Fonctions de Densité de Probabilité

Au-delà de l'examen des concentrations centrales, on a aussi calculé des fonctions de densité de probabilité pour comprendre le comportement de mélange dans toute la fontaine. Ces distributions ont montré comment la concentration variait à travers différentes parties de la fontaine.

Dans les groupes de densité inférieure, on a observé une tendance claire où le mélange diminuait avec l'augmentation du débit. En revanche, les groupes de densité plus élevée ont affiché des motifs plus complexes, indiquant la présence de régimes de mélange distincts. Les résultats ont suggéré que le processus de mélange était déterminé par les étapes précédentes, les boucliers formés par les flux extérieurs influençant le mélange suivant.

#Conclusions

À travers nos expériences, on a découvert que le mélange dans des fontaines très confinées est un processus complexe influencé par les différences de densité et les comportements de flux. On a mis en avant comment le mélange est souvent limité au centre de la fontaine lorsqu'on utilise certains Mélanges de fluides comme le mélange ouzo. Les fontaines salines ont montré un mélange plus fort, car elles étaient plus affectées par les différences de densité et les débits variés.

Nos résultats suggèrent que comprendre les processus de mélange dans les fontaines nécessite de se concentrer sur les étapes antérieures, où des facteurs comme la flottabilité et les interactions de flux jouent un rôle crucial. L'étude souligne l'importance d'analyser différents aspects du mélange pour obtenir une compréhension plus complète de la dynamique des fluides dans des espaces confinés.