Soumis par :

Dr. Ziad Saghir
Agence spatiale canadienne
Programmes des sciences en microgravité
6767 Route de l'Aéroport
Saint-Hubert, Quebec
J3Y 8Y9

Expériences FLEX

Chercheurs principaux :

M. K. Rezakllah
M. M. Kawagi
M. F. Quirion
M. B. Tryggvason
M. W. Duval

Rapport final de recherche de l'Agence spatiale canadienne

1. INTRODUCTION

Hypothèse

Étude des effets de la gigue gravitationnelle sur le mouvement d'une bulle à l'aide du support d'isolation contre les vibrations en microgravité (MIM)

L'hypothèse de travail consistait à fournir une preuve expérimentale qui permettrait de valider des modèles de mouvement de bulles instables et de tester la capacité du support d'isolation contre les vibrations en microgravité (MIM) à isoler une expérience sensible en physique des fluides.

Phénomènes de stabilité interfaciale et des ondes capillaires en microgravité, avec et sans gigue gravitationnelle

L'hypothèse de travail consistait à prouver que les effets de la gigue gravitationnelle accentue l'instabilité des ondes capillaires.

Croissance fréquentielle et figures de résonance

L'hypothèse de travail consistait à étudier la propagation des perturbations à l'interface liquide-vapeur.

Étude des effets de la gigue gravitationnelle sur le mouvement brownien

L'hypothèse de travail consistait à démontrer expérimentalement les effets de la gigue gravitationnelle sur le mouvement brownien.

Étude des effets de la gigue gravitationnelle sur le mouvement brownien

L'hypothèse de travail visait la compréhension de la stabilité d'un système multicouche.

Objectifs

Étude des effets de la gigue gravitationnelle sur le mouvement d'une bulle à l'aide du support d'isolation contre les vibrations en microgravité (MIM)

Le principal objectif de cette recherche consiste à produire des données expérimentales sur le mouvement instable d'une bulle sphérique en microgravité. Ces données pourraient être utilisées pour tester la validité de modèles, existants ou modifiés, de mouvements de bulles. De plus, on a testé la capacité du support d'isolation contre les vibrations en microgravité à isoler la bulle contre la gigue gravitationnelle. Des modèles de mouvement de bulles seront testés sur une vaste plage d'accélération d'entrée soit à partir d'une simple vibration sinusoïdale unidimensionnelle, soit au moyen de vibrations tridimensionnelles d'amplitude aléatoire et à large bande. On examinera la capacité des modèles à prédire l'amplitude du mouvement d'une seule bulle sphérique, de différentes grosseurs, dans des liquides aux propriétés fluidiques variables (surtout la viscosité). Pour les tests en fréquence à large bande, on vérifiera la capacité des modèles à prédire le spectre de puissance du mouvement d'une bulle.

Phénomènes de stabilité interfaciale et des ondes capillaires en microgravité, avec et sans gigue gravitationnelle

Principaux objectifs de la recherche :

1. étudier la réponse d'une interface gaz-liquide à la gigue gravitationnelle normale à bord de la navette spatiale, avec et sans l'utilisation de la capacité d'isolation offerte par le MIM;
2. étudier les caractéristiques oscillatoires de translation d'une bulle pendant la vibration induite d'une cellule fluidique pour deux systèmes de viscosité liquide différente;
3. étudier la résonance non linéaire des oscillations d'une bulle causée par la vibration induite de la cellule fluidique.

Croissance fréquentielle et figures de résonance

Principaux objectifs de cette recherche :

1. vérifier les effets de la tension surfacielle et de l'angle de contact sur le taux de croissance fréquentielle des figures de résonance aux interfaces circulaires;
2. déterminer si les perturbations causées par la translation peuvent générer des figures de résonance et établir comment celles-ci interfèrent avec la croissance fréquentielle.

Étude des effets de la gigue gravitationnelle sur le mouvement brownien

Principaux objectifs de la recherche :

1. examiner les effets de la gigue gravitationnelle sur le mouvement brownien;
2. examiner le mouvement brownien en modes verrouillé, isolé et commandé (signaux sinusoïdaux et aléatoires en bande large).

Étude des effets de la gigue gravitationnelle sur la diffusion

Le principal objectif de cette recherche consistait à étudier le comportement interfacial de deux liquides miscibles soumis à des forces régulières et oscillatoires. Il s'agissait notamment d'examiner s'il y a présence d'ondes stationnaires en microgravité dans diverses conditions de gigue gravitationnelle.

2. DESCRIPTION DU MATÉRIEL

L'Agence spatiale canadienne (ASC) a conçu le support d'isolation contre les vibrations en microgravité afin de réduire les effets de la gigue gravitationnelle sur les expériences réalisées en microgravité. Les spécialistes savent depuis longtemps que toutes les plateformes spatiales, y compris la navette spatiale américaine, la station spatiale russe (Mir) et le KC 135 de la NASA, subissent les effets de la gigue gravitationnelle et que certains environnements sont moins sensibles que d'autres. Les expériences réalisées antérieurement à bord de la navette spatiale et de Mir ont montré que les niveaux courants de gigue gravitationnelle à bord de ces plateformes (de l'ordre de 10 3g aux fréquences supérieures à 0,01 Hz) dépassaient les exigences appliquées à la Station spatiale internationale (ISS). Le MIM est constitué de deux composantes principales : le stator et le flotteur. Le stator est fixé à la plateforme (par exemple, un casier de compartiment intermédiaire de la navette) et le flotteur est en sustentation magnétique au-dessus du stator. Le seul lien physique entre les deux composantes est un câble de communications appelé cordon ombilical. Le cordon ombilical est la seule voie de transmission de vibrations au flotteur. Cependant, la gigue gravitationnelle peut également affecter le flotteur par l'entremise de la traînée aérodynamique, des forces magnétiques, etc. Le stator contient des bobines électromagnétiques à intensité de champ variable. Le flotteur contient des aimants qui sont soumis aux champs magnétiques des bobines. Grâce à la régulation du champ électromagnétique des bobines, les aimants contrôlent les mouvements du flotteur. Le système est également équipé de trois dispositifs capteurs de position (DCP) qui servent à repérer la position et l'orientation relatives du flotteur par rapport au stator. De plus, l'appareil est équipé de six accéléromètres qui servent à mesurer l'accélération linéaire du flotteur et du stator le long des axes. Les signaux provenant des DCP et des accéléromètres sont réinjectés dans le contrôleur pour assurer une commande active du flotteur. Les trois accéléromètres situés dans le stator mesurent la gigue gravitationnelle de fond à des fins de comparaison avec les niveaux de gigue gravitationnelle sur le flotteur. En comparant les vibrations mesurées sur le flotteur à celles du stator, il est possible de déterminer l'efficacité du MIM. Ce dernier ne pouvait pas éliminer la gigue gravitationnelle inférieure à 0,3 Hz dans le sens vertical et à 0,2 Hz dans le sens horizontal.

Le vocable FLEX est l'acronyme pour FLuid physics Experiments (Expériences en physique des fluides) installées sur le MIM. Les composantes principales du FLEX comprennent une plaque en aluminium anodisée qui est boulonnée sur le flotteur du MIM, un élément d'éclairage en contre-jour diffus, une caméra vidéo CCD Hi-8, une boîte de commande et un ensemble moteur/mandrin. Les derniers éléments sont solidement boulonnés dans les trous filetés de la plaque de montage FLEX.

Les cellules de fluides étaient les seuls éléments de l'appareillage expérimental conçus et construits par le chercheur principal. L'acrylique a été retenu comme matériau fluide en raison de ses propriétés optiques supérieures. L'indice de réfraction de l'acrylique se situe autour de 1,48, ce qui est similaire à celui de l'eau (1,33), 20 % de glycérol/80 % d'eau (1,36) et 40 % de glycérol/60 % d'eau. Par conséquent, le taux de distorsion optique n'était pas significatif lorsqu'on observait la bulle à travers la paroi frontale plate de la cellule fluidique. L'acrylique est aussi très facile à usiner, ce qui était important pour cet appareil.

3. RÉSULTATS FINAUX DE RECHERCHE

Étude des effets de la gigue gravitationnelle sur le mouvement des bulles à l'aide du support d'isolation contre les vibrations en microgravité (MIM)

Cinq cellules fluidiques ont été fabriquées pour tester trois grosseurs de bulles dans un même fluide, et trois liquides contenant chacun une bulle de même grosseur. Les cellules fluidiques mesuraient l'équivalent de trois bulles de profondeur (distance entre les parois avant et arrière). Les bulles mesuraient chacune 3 mm, 6 mm et 9 mm. La distance entre les parois avant et arrière de chaque cellule était de 9,5 mm pour la cellule no 1, de 19,1 mm pour la cellule no 2, de 28,6 mm pour la cellule no 3 et de 9,5 mm pour les cellules nos 4 et 5. On estimait que l'effet des parois était négligeable si la bulle à l'intérieur de la cellule se trouvait éloignée des parois à une distance équivalent à sa grosseur. Les trois cellules contenant une bulle de même grosseur étaient identiques. Les cellules nos 2 et 3 étaient plus profondes puisqu'elles contenaient de plus grosses bulles.

Résultats des essais sinusoïdaux

Le modèle modifié Mei et Stokes ne prédisait pas avec précision l'amplitude mesurée du mouvement de la bulle. Nous croyons que la raison principale de cette anomalie réside dans l'accroissement significatif de la force de traînée sur la bulle, à cause de l'effet des parois pendant les expériences. Plus précisément, puisque la force massique ajoutée domine la traînée hydrodynamique pendant toute la matrice d'exécution, l'effet des parois sur ce terme est probablement la principale raison de l'anomalie. Lorsqu'une solution à différence finie pour le débit éventuel potentiel fluidique transverse sur un cylindre entre deux parois a fait l'objet d'une étude, une nette augmentation du coefficient massique ajouté a été observée pour un ratio D/H croissant. Cependant, même si l'utilisation d'une sphère n'indiquait pas une augmentation aussi élevée, il y en aurait quand même une. La modification des parois pour tenir compte de la traînée quasi régulière, selon Shapira et Haber (1988), constitue un bon point de départ, mais sous-estime probablement l'effet des parois sur ce terme également. Il y a un effet de paroi sur la force massique, mais on estime qu'il est beaucoup moins significatif pour les bulles que la traînée quasi régulière et la force massique accrue, sauf quand les nombres de Stokes et Reynolds sont bas. Quand nous avons tracé les ratios d'amplitude du mouvement des bulles par rapport au nombre de Stokes, les données se sont en quelque sorte « dégradées », surtout pour les cellules de viscosité fluidique variable. Cela indique donc que le ratio d'amplitude du mouvement des bulles dépend plus du nombre de Stokes que de la fréquence. L'effet de paroi a varié parmi les cellules fluidiques, ce qui a empêché les données de subir une plus importante dégradation.

Résultats des tests aléatoires

On a effectué des tests à large bande sur les cinq cellules fluidiques, comme prévu. Le modèle Mei s'est révélé suivre quantitativement les séries temporelles de données vidéo. Il s'agit d'un fait intéressant à noter puisque le modèle Mei a été développé pour une oscillation pure de la vélocité fluidique et non de la vélocité fluidique à large bande et à amplitude aléatoire. De même que pour les résultats sinusoïdaux, le modèle Mei a fait une prédiction supérieure du mouvement efficace des bulles par rapport aux résultats mesurés. Cela étant dû essentiellement à un effet de paroi notable. Les résultats obtenus dans le domaine des fréquences ont indiqué que le modèle Mei avait prédit la bonne tendance au niveau des densités spectrales de puissance, le mouvement basse fréquence dominant la distribution de la puissance. La relation entre le DCP d'entrée accélérée et le DCP de sortie de position de la bulle a été modélisée en utilisant la réponse en fréquence sinusoïdale par rapport aux résultats sinusoïdaux mesurés. Le DCP résultante basée sur la réponse en fréquence suivait très étroitement la tendance du DCP relative à la position mesurée de la bulle.

Finalement, on a examiné l'effet de la viscosité fluidique sur le mouvement de la bulle et ce dernier s'est révélé en conformité avec la tendance qui est ressortie dans le cadre des essais sinusoïdaux. L'effet de la grosseur de la bulle n'a pu être démontré à partir des essais aléatoires puisqu'il n'y avait aucun autre essai comparable d'entrée en accélération pour les cellules fluidiques conçues pour illustrer cet effet. L'effet des entrées multidimensionnelles en accélération sur les composantes reliées au mouvement de la bulle n'a pu être démontré puisque la gigue gravitationnelle de fond dans le cadre des essais 1-D était d'un même ordre de grandeur que celui du mouvement prescrit dans le cadre des essais 2-D.

L'effet de la gigue gravitationnelle sur le mouvement des bulles a été modélisé au moyen des essais d'amplitude aléatoire à large bande. On a constaté que le modèle Mei pouvait être utilisé pour fournir une estimation des séries chronologiques et du spectre de puissance du déplacement des bulles pour une entrée d'accélération donnée. Les réponses en fréquence mesurées et obtenues dans le cadre des essais sinusoïdaux auraient également pu être utilisés pour prédire le spectre de puissance du mouvement aléatoire et à large bande des bulles avec un succès acceptable.

Les essais simples en mode verrouillé et en paires isolées qui ont été menés avec succès ont montré que le MIM-2 n'était capable d'isoler la bulle contre la gigue gravitationnelle qu'à des fréquences supérieures à 0,3 Hz dans l'axe z, ce qui est confirmé par l'analyse après vol effectuée par l'ASC. À des fréquences supérieures à 0,3 Hz, la gigue gravitationnelle accusait une réduction significative; à preuve la diminution de la puissance de déplacement des bulles à des fréquences plus élevées.

Phénomènes de stabilité interfaciale et des ondes capillaires en microgravité, avec et sans gigue gravitationnelle

Deux cellules différentes ont été utilisées dans le cadre de cette analyse. La première cellule, appelée cellule no 1, contenait de l'air/huile minérale tandis que la seconde cellule, appelée cellule no 2, contenait un tensioactif air/eau. On a étudié divers modes de vibration et analysé leurs effets sur le comportement du fluide.

Expériences en mode verrouillé et en mode isolé

La surface de la bulle d'air dans la cellule 2 a été filmée sur bande vidéo pendant plus de cinq minutes alors que le MIM était exploité en mode verrouillé et en mode isolé. En mode verrouillé, on a observé fréquemment de petites vibrations de la bulle et de petites perturbations sur sa surface incurvée, sous forme de petites ondulations ou ondes capillaires. Les données d'accélération du flotteur pendant l'expérience en mode verrouillé ont indiqué la présence d'une forte gigue gravitationnelle avec des amplitudes d'accélération d'environ 2 mg. Par contre, lorsque le MIM était exploité en mode isolé, le taux d'accélération du flotteur était réduit à 200 µg, même si la gigue gravitationnelle sur le stator demeurait à environ 4 mg, en raison du fait qu'un astronaute faisait ses exercices. Ainsi, la réponse de la bulle à la gigue gravitationnelle naturelle était réduite de façon significative en amplitude et en fréquence. Même s'il est difficile de quantifier la réponse de la bulle aux perturbations aléatoires de la gigue gravitationnelle, on a pu constater (sur la bande vidéo) une différence marquée de la réponse de la bulle avec et sans la capacité d'isolation du MIM.

Expériences en mode forcé

Plusieurs jeux d'oscillation forcée ont été appliqués aux deux cellules dans l'axe z. Ces fréquences de vibration variaient de 0,2 Hz/600 µg à 2,5 Hz/3 mg pour la cellule 1 et de 0,1 Hz/100 µg à 1,5 Hz/16 mg pour la cellule 2. Les caractéristiques d'oscillation et de déformation des bulles sont traitées ci dessous.

Oscillation des bulles en vibration parallèle

Dans le cadre des essais d'excitation en parallèle, une vibration verticale dans l'axe z a été appliquée à la cellule, en parallèle avec sa paroi plane. La bulle a toujours semblé suivre le mouvement de la cellule et osciller à la même fréquence que la fréquence de vibration de la cellule. En confirmation des prédictions théoriques, l'amplitude d'oscillation de la cellule s'est révélée être proportionnelle en linéarité avec l'amplitude de vibration de la cellule (pour les deux cellules). La grande viscosité du liquide dans la cellule 1 restreignait le mouvement de la bulle en raison des effets de friction plus élevés aux interfaces solide/liquide ainsi que dans le liquide lui-même. L'effet d'amortissement du liquide visqueux sur la bulle était prévu et a été clairement démontré. On a constaté que le mouvement de la bulle n'augmentait pas en fonction du taux d'accélération, à cause de l'effet de fréquence. L'oscillation de la bulle s'est révélée fortement dépendante de la fréquence de vibration de la cellule. L'amplitude d'oscillation de la bulle était à son plus fort à la plus basse fréquence d'essai (0,1 - 0,2 Hz) et a diminué de façon régulière en fonction de la fréquence de vibration de la cellule parce que l'inertie du liquide étant trop importante pour obtenir une réponse à des changements plus rapides. En résumé, le déplacement de la bulle dépend essentiellement de l'amplitude du déplacement de la cellule tandis que l'effet de la gigue gravitationnelle est moins dépendant de la fréquence de vibration et de l'amplitude de la gigue gravitationnelle.

Caractéristiques de l'oscillation d'une bulle soumise à des vibrations perpendiculaires

Lorsqu'un mouvement vibratoire a été appliqué à la cellule dans le plan perpendiculaire par rapport aux parois planes de la cellule, la bulle est demeurée dans la même position, mais elle a montré une déformation à cause du mouvement du liquide dans la cellule, parallèle à l'axe de la cellule. À des amplitudes de vibration de la cellule suffisamment élevées, le liquide ballottait en mouvements de va-et-vient entre les parois avant et arrière de la cellule.

Oscillation non linéaire de la bulle en résonance dans un contexte d'oscillation parallèle

Le facteur de forme de la bulle (facteur des axes mineurs et majeurs de la bulle aplatie) était toujours légèrement inférieur à l'unité et variait chronologiquement, indiquant l'oscillation de la forme de la bulle du second mode, dans lequel la forme de la bulle change périodiquement d'une coupe transversale quasi-circulaire à une forme ovale légèrement aplatie. Le spectre de fréquence des oscillations du facteur de forme a montré une crête à une fréquence de résonance de 0,2 Hz, alors que la cellule 2 était soumise à une fréquence de vibration de 0,1 Hz. Une petite crête a également été observée à une fréquence de 0,4 Hz lorsque la cellule a été soumise à une vibration fréquentielle de 0,2 Hz. Pour la cellule 1, on a constaté une coïncidence entre la fréquence de vibration de la cellule et la fréquence d'oscillation du facteur de forme. Cependant, cette situation peut être due à une plus grande incertitude dans les données sur la cellule et sur la position du centre de la bulle qui a découlé du fait que l'ensemble électromagnétique générateur d'ondes bloquait partiellement le côté droit de l'image de la bulle, empêchant ainsi l'observation de toute la bulle.

Comparaison entre la théorie et les résultats expérimentaux entourant le phénomène d'oscillation d'une bulle

Certaines des prédictions théoriques obtenues se sont révélées coïncider avec les résultats expérimentaux réels. Voici donc en quoi ces résultats consistent :

1. La théorie prédit la translation linéaire de la bulle comme le démontre l'expérience. Cependant, la théorie prédisait que l'amplitude de l'oscillation de translation de la bulle serait la même que celle de l'oscillation de la cellule, ce que l'expérience n'a pas démontré. Cette anomalie peut être associée à des processus dissipatifs, lesquels ne sont pas pris en compte dans la théorie.
2. Théoriquement, la bulle devait présenter une oscillation de forme de Mode-2 (circulaire à ovale) et la fréquence de résonance devait varier en fonction du rayon de la bulle et augmenter en fonction de la viscosité du liquide. Cette prédiction se situait dans la plage de fréquences (0,1 - 0,2 Hz) où on avait observé une crête dans le spectre de puissance des oscillations du facteur de forme.
3. La théorie prédisait également une diminution du facteur de forme moyen et une augmentation des vibrations de la cellule. Au cours de l'expérience, la diminution du facteur de forme moyen s'est produite à des fréquences supérieures à 0,7 Hz.

Expérience sur le diagramme de résonance et de croissance

Réponse de la bulle au balancement de FLEX

On a d'abord observé que le mouvement de balancement ne pouvait pas induire de diagrammes de résonance aux interfaces liquide/air de la bulle. En fait, la bulle a lentement dérivé du centre jusqu'à la paroi latérale de la cellule, comme s'il n'y avait aucun balancement. Une étude plus approfondie des vidéos a montré que le bord des bulles était trop grand pour correspondre à des systèmes de mouillage insuffisant. Cela appuie l'observation que la mouillabilité s'est améliorée pendant le stockage des cellules. L'analyse a démontré que l'épaisseur du ménisque se situe autour de 4 mm, ce qui est très près du 4,5 mm prévu pour un système de mouillage complet.

Migration de la bulle pendant le balancement des expériences FLEX

Au cours des expériences, la bulle a lentement dérivé du centre jusqu'à la paroi de la cellule. La position finale des cellules était arbitraire par rapport au flotteur, mais les bulles se retrouvaient systématiquement au même endroit par rapport aux cellules. Cela élimine donc la possibilité que la dérive était causée par une accélération résiduelle pendant les expériences. Il y a deux explications possibles et elles sont toutes deux associées à la tension superficielle. La première explication repose sur l'existence d'une pression capillaire sur la bulle. La deuxième est associée à la différence de mouillabilité entre les régions qui étaient en contact direct avec le liquide ou la vapeur.

Traînée visqueuse sur la bulle pendant les mouvements MIM-Z

Dans la plupart des cas, l'analyse a révélé que la bulle ne subit pas de déformation marquée pendant le mouvement MIM-Z ou même à résonance. Pour simplifier les choses, supposons que la bulle réagit comme un corps rigide de densité homogène et que nous ne tiendrons pas compte de l'effet des parois.

Étude des effets de la gigue gravitationnelle sur le mouvement brownien

L'expérience sur le mouvement brownien comprenait l'enregistrement vidéo du mouvement de particules de l'ordre des microns ensemencée dans de l'eau distillée. Le matériau particulaire était constitué de sphères de latex dont les densités équivalaient à près de 3 % celle de l'eau. Nous avons utilisé deux cellules fluidiques, l'une d'entre elles étant ensemencée de particules de 1 micron de diamètre et l'autre de particules de 5 microns de diamètre. Les cellules fluidiques étaient complètement remplies d'eau distillée et ne contenaient aucune bulle d'air visible. Les fluides étaient placés sous une lentille microscopique à mise au point à champ lointain et dont le plan focal était réglable à n'importe quel plan entre les parois avant et arrière des cellules.

En microgravité, le mouvement brownien des particules ensemencées est évident, surtout dans le cas de celles qui mesurent 1 micron. Cependant, toutes les observations démontrent clairement qu'il existe également un mouvement corrélé des particules. Le phénomène devient moins évident pendant les essais en isolation où les vibrations du flotteur du MIM et des cellules étaient très faibles. En mode pilote et à des fréquences uniques, il apparaît très clairement que le déplacement du fluide se fait en fonction de celui de la cellule, à la fréquence pilote. Afin de pouvoir s'assurer qu'il ne s'agissait pas d'un mouvement apparent causé par la vibration de la lentille microscopique, cette dernière a été focalisée sur la paroi de la cellule pendant un certain temps. Ainsi, nous avons pu établir clairement qu'il n'y avait pas de mouvement relatif de la lentille par rapport à la cellule. Par conséquent, il existe un mouvement interne transmis dans le fluide en réponse à l'accélération absolue de la cellule.

Le déplacement moyen observé et prédit pour les cas isolés demeure jusqu'à maintenant inexpliqué. En ce qui concerne la plus importante anomalie pour les particules de 1 micron, il est possible qu'elle soit causée par des modifications de la viscosité efficace des fluides ensemencés, comparativement à la vélocité efficace de l'eau pure distillée. Une autre possibilité serait que dans la formule d'Einstein, il conviendrait d'utiliser le rayon « hydrodynamiquement efficace ».

Étude des effets de la gigue gravitationnelle sur la diffusion

Dans les conditions initiales à l'heure zéro, les chercheurs sont en présence de deux liquides miscibles séparés par une mince cale. Une fois la cale retirée, le déséquilibre de pression hydrostatique entre les deux liquides entraîne un mouvement de renversement qui a pour effet d'étirer et de froisser l'interface. Pourtant, on a découvert, en conditions de microgravité avec le MIM en mode isolation, que l'interface devenait stationnaire après 17 secondes. Ce résultat illustre l'efficacité de la microgravité à atténuer les écoulements induits par la poussée hydrostatique et par conséquent à favoriser le mélange des liquides par le biais de la diffusion massique. Il convient de noter que toute force induite par la poussée hydrostatique résiduelle provoquerait une déformation de l'interface. La diffusion massique sur une longue échelle de temps entraînerait le mélange des deux liquides alors que l'interface demeurerait stationnaire dans la configuration verticale. Compte tenu du fait que l'interface peut demeurer stationnaire pendant un certain temps, le MIM a été exploité en mode excitation, à une fréquence de 1 Hz et à une amplitude de 20 mg avec une entrée sinusoïdale. Enfin, on a constaté une instabilité de type Kelvin-Helmholtz à l'interface qui a produit une onde stationnaire à quatre modes. Dans ce cas, l'instabilité de l'interface accentue le transport massique local.

4. CONCLUSIONS

Étude des effets de la gigue gravitationnelle sur le mouvement d'une bulle à l'aide du support d'isolation contre les vibrations en microgravité (MIM)

Les résultats obtenus appuient les conclusions suivantes :

1. Une série de tests numériques ont permis de déterminer la contribution relative de la traînée quasi régulière et des forces massiques ajoutées dans le modèle Mei sur une plage de nombres de Reynolds (0,01 < Re < 80) et de nombres de Stokes (0,5 < e < 15,0). La force massique ajoutée s'est révélée la force dominante pour tous les nombres de Stokes et de Reynolds pris en compte (jamais moins de 49 % de la force totale et jusqu'à 95 % dans les nombres de Stokes élevés).
2. Les essais sinusoïdaux unidimensionnels menés à bord de la navette ont été effectués en utilisant la capacité du support d'isolation contre les vibrations en microgravité dans le but d'imposer les vibrations prescrites. Les résultats ont été comparés au modèle Mei modifié dans le cadre d'une série de tests effectués sur cinq cellules fluidiques contenant chacune une bulle dont le diamètre variait de 8,2 mm à 13,5 mm flottant dans des liquides de viscosité cinématique variant de 1 x 10-6 m²/s (eau pure à 100 %) à 3,4 x 10-6 m²s (40 % de glycérol et 60 % d'eau). On a découvert que l'amplitude du mouvement des bulles diminuait en fonction de la viscosité du liquide et du diamètre de la bulle. Cette amplitude de mouvement s'est également révélée dépendante du nombre de Stokes, mais moins dépendante du nombre de Reynolds (de 0,6 à 75), aux nombres élevés de Stokes notés au cours de l'expérience (de 1,3 à 21). Le mouvement mesuré des bulles était généralement 50 % inférieur au mouvement calculé au moyen du modèle Mei modifié. Nous croyons que c'est l'important effet de paroi expérimenté dans tous les essais qui serait la cause de cette anomalie.
3. Une série d'essais expérimentaux aléatoires en amplitude et à large bande ont été effectués en vue de déterminer la capacité des modèles à prédire le mouvement aléatoire des bulles. Comme pour les essais sinusoïdaux, le mouvement efficace des bulles dans le cadre des essais aléatoires a fait l'objet d'une surprédiction par les modèles à cause de l'effet de paroi. Les tracés de densité spectrale de puissance pour le mouvement prédit et mesuré des bulles n'étaient pas conformes au taux de certitude à 95 % lorsqu'ils étaient comparés au moyen d'une forme modifiée d'essais DCP en ce qui a trait à l'équivalence indiquée dans Bendat et Piersol. Cependant, le modèle a donné la bonne tendance pour le spectre de puissance. Une paire d'essais verrouillés/isolés a été effectuée pour déterminer l'efficacité du MIM à isoler les expériences contre la gigue gravitationnelle. Les résultats montrent que le MIM-2 (version utilisée à bord de la navette spatiale) permettait de réduire le mouvement des bulles de façon significative à des fréquences supérieures à 0,3 Hz, cette limite inférieure étant causée par un problème de blindage magnétique sur le MIM-2.

Phénomènes de stabilité interfaciale et des ondes capillaires en microgravité, avec et sans gigue gravitationnelle

Les résultats obtenus appuient les conclusions suivantes :

1. Dans le cadre de l'expérience réalisée en mode verrouillé, la cellule 2 montrait fréquemment de petites vibrations, voire même des ondulations à la surface de la bulle.
2. En mode forcé, nous avons étudié en détail la réponse des bulles aux vibrations de la cellule. Dans le cas de l'excitation en parallèle, c'est-à-dire lorsque la cellule est en vibration verticalement parallèle par rapport à la bulle aplatie, la bulle a épousé une forme ovale. La fréquence d'oscillation de la translation de la bulle correspondait exactement à la fréquence de vibration de la cellule et l'amplitude de l'oscillation variait de façon linéaire avec l'amplitude de vibration de la cellule.

Croissance fréquentielle et figures de résonance

Les résultats obtenus ont permis de tirer les conclusions suivantes :

1. Dans un bon système de mouillage, l'interface liquide/air devient tellement incurvé que la longueur effective pour la propagation des modes, en particulier pour les modes inférieurs comme le mode 2, cesse d'être prépondérante pour décaler vers la fréquence naturelle du système.
2. Dans un piètre système de mouillage, la bulle est en contact direct avec les parois de telle manière qu'il se forme une ligne de contact par laquelle l'énergie provenant de la perturbation peut être communiquée à la bulle. Dans les systèmes de mouillage, une pellicule liquide agit comme lubrifiant entre les parois et la bulle et, en microgravité, cette pellicule n'est pas drainée. Dans de telles conditions, le transfert d'énergie des parois vers la bulle ne se fait pas.
3. Quand la bulle se déplace très lentement, on peut prédire la friction de celle-ci avec son environnement à partir d'un modèle très simple qui tient compte essentiellement de la traînée visqueuse de la bulle dans le liquide, même si la bulle est coincée entre les parois avant et arrière de la cellule.
4. La présence de défauts de mouillage créera des sites où la bulle se fixera aux parois. Quand la bulle est fixée à la paroi, le transfert d'énergie à la bulle devient plus « direct » à cause de la ligne de contact.
5. La coalescence des bulles semble ne nécessiter qu'une force minimale. Le phénomène a été observé en deux occasions où la coalescence de nombreuses bulles s'est produite coopérativement à une vitesse de rotation donnée.

Étude des effets de la gigue gravitationnelle sur le mouvement brownien

Sur le plan qualitatif, le déplacement moyen observé des particules augmente, comme prévu, proportionnellement à la racine carrée du temps. Les amplitudes des déplacements moyens sont toutefois moins importantes que prévu. On a observé que les gigues gravitationnelles causaient des mouvements corrélés du fluide, contrairement à ce qui est très largement prédit.

Étude des effets de la gigue gravitationnelle sur la diffusion

Les résultats obtenus ont permis de tirer les conclusions suivantes :

1. La microgravité minimise l'effet des débits induits par poussée hydrostatique.
2. La microgravité permet d'obtenir la limite de diffusion réelle.

5. RECOMMENDATIONS

Étude des effets de la gigue gravitationnelle sur le mouvement des bulles à l'aide du MIM

À la lumière des expériences réalisées dans le cadre de FLEX 1, plusieurs changements ont été recommandés au plan de la conception du matériel en vue de créer des conditions expérimentales beaucoup mieux contrôlées et d'acquérir des données nettement plus fiables.

1. Il est essentiel que la position de la bulle soit mesurée sur trois axes pendant chaque essai. Même si seulement une ou deux accélérations bidimensionnelles sont imposées, la position de la bulle dans l'autre dimension doit être mesurée. Pour obtenir ce résultat, on recommande l'utilisation d'une seconde caméra. Pour les enregistrements vidéo standard, la résolution spatiale n'est pas suffisante pour permettre l'enregistrement des deux champs dans la même image par l'intermédiaire d'un système de miroir (comme on l'avait proposé au départ pour FLEX I).
2. Il conviendra d'assurer la synchronisation précise des données entre l'enregistrement vidéo et l'enregistrement de l'accélération. Cette mesure pourrait être réalisée en marquant l'heure de chaque image à l'aide d'un horodateur synchronisé sur le système d'acquisition de données du MIM.
3. Il conviendra également de voir à ce que la grosseur de la bulle soit le plus rapprochée possible des conditions nominales. Comme solutions possibles, on pourrait envisager un meilleur remplissage des cellules et des procédures subséquentes de manipulation plus efficaces, accès de dernière minute (L-1) pour l'injection des bulles ou injection en vol.
4. Assurer un éclairage en contre-jour uniforme de tout l'arrière-plan. Pour ce faire, il faudra reprendre la conception du dispositif de fixation de l'arbre et/ou la configuration de l'éclairage. Il serait également souhaitable d'ajouter de l'éclairage (peut-être par voie optique) par de plus petites ouvertures et d'augmenter ainsi la profondeur de champ.
5. Afin de donner une plus grande latitude dans la sélection de proximité de paroi par rapport à la bulle, il serait souhaitable d'utiliser de plus grandes cellules. Cela permettrait en même temps d'étudier plus étroitement le cas d'une bulle qui se déplace dans un fluide infini.
6. L'appareil FLEX I n'a été capable de positionner la bulle que dans deux dimensions. On a exécuté une opération de rotation qui a amené la bulle dans l'axe longitudinal de la cellule, mais dans la direction axiale, la position était aléatoire. Par conséquent, l'expérience ne nous a absolument pas permis d'étudier systématiquement l'effet provoqué par diverses proximités des parois.

Phénomènes de stabilité interfaciale et des ondes capillaires en microgravité, avec et sans gigue gravitationnelle

Voici une liste de recommandations spécifiques à appliquer dans le cadre de prochaines expériences réalisées dans l'espace :

1. La fréquence de coupure du MIM en mode isolation devrait être réduite à moins de 0,1 Hz puisque les interfaces gaz liquide dans le présent système de bulles se sont révélées très sensibles dans cette plage de fréquences de gigue gravitationnelle.
2. Il conviendrait de varier la dimension des cellules fluidiques et des bulles d'air en vue d'étudier leurs effets sur l'oscillation de la bulle et la déformation de celle-ci.
3. L'emplacement de la caméra vidéo sur l'appareil FLEX devra être modifié pour permettre de visualiser directement la bulle plutôt qu'à un angle donné en vue de minimiser tout effet de réfraction optique par les parois de la cellule. Le grossissement de la lentille devrait être optimisé en vue de maximiser la résolution spatiale du mouvement de la bulle quand toute la bulle est sous observation.

Croissance fréquentielle et figures de résonance

Les futurs travaux devraient être orientés sur la détermination de modes plus élevés. Afin d'éviter les changements de mouillabilité, le liquide doit se limiter à de l'eau ou à des solutions salines de sorte que l'altération chimique de l'enduit demeure minimale. Le chargement de dernière minute d'un dispositif pour le transfert du liquide dans la cellule dans l'espace minimiserait également les changements de mouillabilité dans les cellules. Les expériences au sol et en vol parabolique devraient être poursuivies afin d'en arriver à une compréhension globale de la réponse des liquides aux perturbations en microgravité.

Étude des effets de la gigue gravitationnelle sur le mouvement brownien

Voici une liste de recommandations spécifiques touchant les futures expériences qui seront réalisées dans l'espace :

1. Synchronisation des données vidéo avec les données d'accélération.
2. Amélioration de la technologie de traitement de l'image.
3. Amélioration du contraste et de l'éclairement
4. Conception et fabrication de cellules fluidiques thermo-régulées.

6. BIBLIOGRAPHIE

K. Rezakallah et S. Farris, « The Effects of g-jitter on Bubble Motion », Rapport soumis à l'ASC, 9 octobre 1998.

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W.M.B. Duval et B. Tryggvason, « A Study of the Effects of G-jitter on Diffusion in Liquids », Rapport soumis à l'ASC, 14 décembre 1998.

B.V. Tryggvason et M. Ouellet, « Investigation of Brownian Motion in Microgravity », Rapport soumis à l'ASC, août 1998.