Faraday waves in small cylinders and the sidewall non-ideality

par William Batson

Thèse de doctorat en Mécanique, Énergétique, Sciences des matériaux

Sous la direction de Farzam Zoueshtiagh et de Ranga Narayanan.

  • Titre traduit

    Instabilité de Faraday confinée dans une cellule cylindrique et la problématique des conditions limites


  • Résumé

    Ce travail de thèse porte sur l’instabilité de Faraday qui résulte de l’oscillation verticale d’une couche de liquide. L’objectif est d’apporter une vérification expérimentale précise des résultats issus d’une analyse de stabilité linéaire. À basse fréquence, la longueur d'onde caractéristique de cette instabilité est de l'ordre des dimensions de la cellule expérimentale. Théoriquement les longueurs d'onde associées aux modes disponibles sont discrétisées selon le confinement latéral. Mathématiquement, la condition qui facilite les calculs est une condition limite pariétale sans contrainte, ce qui est irréaliste en raison des couches limites visqueuses et de l’hystérésis capillaire au point de contact du fluide avec les parois. Ici, nous présentons l'étude expérimentale d'un système de basse fréquence conçu pour se rapprocher d’une condition pariétale sans contrainte, par un choix judicieux de liquides. Le système a permis d’obtenir expérimentalement des seuils d’apparition de l’instabilité très proches des prédictions théoriques basées sur une analyse de stabilité linéaire. Les différences observées sont associées au ménisque formé par le liquide sur la paroi ainsi qu’au film liquide se formant à la paroi lors de l'excitation des ondes. Les écarts avec la théorie dû à ces imperfections semblent être fonction de la structure du mode et la périodicité des ondes. De plus, les ondes générées par le ménisque conduisent à des seuils inférieurs aux prévisions. Ceci indique une résonance mixte entre l'instabilité paramétrique et les oscillations forcées du ménisque où chaque contribution peut être contrôlée par un forçage caractérisé par deux fréquences.


  • Résumé

    This work is an inquiry into the current understanding of experimental single-mode Faraday waves, from the perspective of linear stability theory. At low frequency, the characteristic wavelength is of the order of the cell dimensions, and theoretically the wavelengths associated with the modes available for excitation are discretized by the sidewall boundary condition. Mathematically, the condition which eases manipulation is a stress-free sidewall condition, which is unrealistic due to viscous boundary layers and capillary hysteresis. We report the experimental investigation of a low frequency system designed to approximate this condition, by careful choice of the fluid liquids and thereby increasing the relative importance of the interior damping. The design has permitted close connection between the experimental thresholds and the predictions, contrasting the traditional approach of phenomenologically measuring the mode dissipation and treatment as a single degree of freedom system. Non-ideal behavior of the sidewall persists, evident by the contact meniscus and the sidewall film which is formed during wave excitation. The presence of these non-idealities is translated to trends in the deviation between the observed and predicted thresholds, depending upon the mode structure and wave periodicity. The presence of harmonically excited waves from the meniscus seems to result in observation of amplitudes consistently lower than the predictions, indicating a mixed resonance between the parametric instability and the forced meniscus oscillations. Furthermore, it is seen this interaction can be adjusted by excitation with two commensurate parametric frequencies.


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