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Thèse Année : 2014

Three problems about the circular hydraulic jump

Trois problèmes autour du ressaut hydraulique circulaire

Alexis Duchesne

Résumé

A liquid jet colliding with a horizontal surface generates a flow divided in two regions. Close to the impact point, the flow is fast and the fluid layer is thin while further downstream the layer is thick and the flow is slow. The boundary between these inner and outer flows is characterized by a sharp liquid wall, known as the circular hydraulic jump. Here, we study how the properties of the jump depend on flow conditions, geometry and wettability. We provide also a description of the motion of a non-coalescent drop in the inner fast flow region. First, we investigate jump radius selection. We show that the Froude number (ratio between flow speed and gravity-wave velocity) measured at the jump exit is independent of physical parameters and weakly dependent on geometrical parameters. Combining these results with a lubrication description of the outer flow we obtain a simple law predicting the jump radius in excellent agreement with our measurements. Second, we study a jet
 colliding perpendicularly with an inclined surface for three different wetting conditions: total, partial wetting and non-wetting. The flow
 features a hydraulic jump near the impact and a
 curved wetting front at larger distance whose evolution we explore and model depending on slope and flow rate. Finally, we explore the dynamics of a non-coalescing drop inside a circular jump. The drop is moving along the jump following a regular orbital motion, or an irregular motion involving inversions. Modeling the drop as a rigid sphere exchanging friction with liquid across a thin film of air, we rationalize both the orbital motion and the internal rotation of the drop.
L'impact d'un jet liquide sur une plaque crée un écoulement radial divisé en deux régions, un écoulement rapide dans un film liquide mince près du jet suivi d'un écoulement lent dans un film épais séparés par un mur liquide abrupt, le ressaut hydraulique circulaire (voir figure). Nous étudions ici comment les propriétés du ressaut dépendent des conditions d'écoulement, de la géométrie et de la mouillabilité. Nous décrivons aussi le mouvement d'une goutte non-coalescente dans la région rapide. Premièrement, nous examinons le mécanisme de sélection du rayon du ressaut. Nous montrons que le nombre de Froude (rapport entre vitesse du fluide et célérité des ondes gravitaires) mesuré à la sortie du ressaut est indépendant des paramètres physiques et faiblement dépendant des paramètres géométriques. En combinant ce résultat avec une description en lubrification de l'écoulement extérieur nous obtenons une loi simple de sélection du rayon en excellent accord avec nos mesures. Deuxièmement, nous étudions un jet impactant perpendiculairement un plan incliné en conditions de mouillage total, partiel et de non-mouillage. Un ressaut hydraulique se forme près de l'impact suivi d'un front de mouillage, dont nous décrivons et modélisons l'évolution en fonction de la pente et du débit. Enfin, nous explorons la dynamique d'une goutte non-coalescente dans un ressaut circulaire. Cette goutte se déplace le long du ressaut en suivant un mouvement orbital régulier, ou un mouvement irrégulier comportant des inversions. Un modèle de sphère rigide échangeant de la friction avec le liquide via un mince film d'air permet d'interpréter le mouvement périodique de la goutte et sa rotation interne.
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Dates et versions

tel-01240881 , version 1 (09-12-2015)

Identifiants

  • HAL Id : tel-01240881 , version 1

Citer

Alexis Duchesne. Trois problèmes autour du ressaut hydraulique circulaire. Dynamique des Fluides [physics.flu-dyn]. Université Denis Diderot (Paris 7) - Sorbonne Paris Cité, 2014. Français. ⟨NNT : ⟩. ⟨tel-01240881⟩
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