Les fluides visqueux en laboratoire : convection mantellique et volcanisme

1. Les fluides visqueux en laboratoire : convection mantellique et volcanisme Claude Jaupart Anne Davaille Sylvie Vergniolle Edouard Kaminski Laboratoire de Dynamique des Systèmes Géologiques IPG Paris - Université Paris 7

2. Pourquoi une dynamique des fluides expérimentale ? • Validation des théories et des résultats numériques (ex. convection à viscosité variable - tectonique des plaques) • Problèmes biphasiques - Phénomènes de mélange - Hétérogénéités actives • Instabilités des systèmes naturels (ex convection Rayleigh Bénard pour les grands systèmes)

3. La dynamique des fluides au labo : principes et problèmes • Mettre le problème à l’échelle • Réaliser le dispositif expérimental • Mesurer les propriétés des fluides • Visualiser l’écoulement • Mesurer ses caractéristiques (température, composition…) • Appliquer au cas terrestre

4. 1/ la convection mantellique • Poser le problème : plutôt que reproduire la Terre, tenter de comprendre la physique des écoulements simplifiés • Mise à l ’échelle : les équations donnent les nombres sans dimensions, Re, Pr, Ra, Nu ... • Réalisation d’un montage expérimental propre à chaque type de problème

5. Ex 1 : un plume laminaire • Montage : cuve + fluide visqueux + résistance électrique • Difficultés : • Visualisation (interférométrie laser, banc optique, table élévatrice) • Effets de bord (50cm3 pour un plume de 3 cm de rayon)

6. Plume thermique laminaire - Huile rhodorsil 47V500 (Kaminski - Jaupart)

7. Ex 2 : convection à viscosité variable • Montage : cuve isolante et transparente, plaques de cuivre thermostatées (+65 / -20°C) dans pièce thermostatée (0.5°C). • Difficultés mesures : • Température du fluide connue à 0.1°C => thermocouple au µV (bruit instrumental) • Visualisation perturbe isolation thermique

8. Convection à viscosité variable - Golden Syrup (Davaille - Jaupart)

9. Ex 3 : convection sous un solide • Montage : cuve isolante et transparente, plaques de cuivre thermostatées, solide isolant +- fusion • Difficulté de préparation : le solide (cuve rotative) • Difficultés mesures : visualisation de l’interface

10. Convection sous un solide isolant (continent) (Guillou - Jaupart)

11. Convection sous un solide - Cire (Crambes - Davaille)

12. Convection sous un solide - Glycérol (Hill - Jaupart)

13. Ex 4 : convection thermochimique • Montage : cuve thermostatée, 2 fluides de densité et de viscosité différentes, colorants divers • Difficultés : • Préparation des fluides (densité connue à 0.001%, colorant joue) • Visualisation de l’écoulement en 3D • Caractérisation du mélange

14. Dômes en convection thermochimique Visualisation par colorant (Davaille)

15. Plumes en convection thermochimique (Davaille)

16. Convection thermochimique - Visualisation fluorescéine (Lebars - Davaille)

17. Caractérisation de l’entraînement - Cuve à rouleaux (Davaille)

18. Dans le futur ... • Tectonique des plaques : rhéologies non Newtoniennes, quel analogue ? • Effet des continents mobiles, modes de convection pour des grands rapports d’aspect : expériences de grande échelle, gestion des fluides, des cuves...

19. Conclusion convection • Effets 3D (mélanges, topographie des interfaces) intrinsèques, instabilités à toutes les échelles, plus ou moins imbriquées : pas de troncature mais la visualisation est le problème majeur. • Pour les fluides biphasiques et les rhéologies particulières, la préparation et la caractérisation des fluides nécessitent un lourd investissement technique (viscosimètres non newtoniens, pénétromètres…).

20. 2/ le volcanisme (explosif) • Sur le terrain, seules les manifestations externes du système volcanique sont accessibles et des lois d’échelles sont nécessaires pour les relier au fonctionnement interne • On ne sait pas encore vraiment comment décrire la physique des phénomènes et les manips de labo permettent un premier décryptage

21. La fragmentation • La fragmentation des mousses libère le gaz contenu dans les bulles et est responsable de l’explosivité • Comment caractériser la fragmentation (mécanisme, cinétique) ? • Comment lier les observables de surface à la fragmentation en profondeur ?

22. Approche expérimentale • Cuve + cheminée, fluide visqueux + flux de gaz • Caractérisation de la mousse : propriétés acoustiques (pression - Vson) et optiques • Caractérisation de la fragmentation : caméra rapide

23. Modèle analogique d’une chambre magmatique (Vergniolle - Jaupart) Caractérisation de la mousse par mesures acoustiques et photoélectriques Résonance de la bulle (capteurs pression) - Ondes de gravité (caméra)

24. Fragmentation de la mousse en toit de chambre Image caméra rapide (Vergniolle)

25. Fragmentation de la mousse en toit de chambre Image caméra rapide (Vergniolle)

26. En amont de la fragmentation : • La cristallisation fractionnée • La fusion partielle (écoulements biphasiques - rhéologies particulières)

27. Cristallisation par le haut - Visualisation PIV (Brandeis - Jaupart)

28. Cristallisation par le bas, cheminées (Tait - Jahrling- Jaupart) Caractérisation de la porosité par mesures électriques

29. Dans le futur … • Modélisation de la fusion partielle et de l’extraction (séparation de phase - convection) • Modélisation du volcanisme explosif Plinien: • Ondes de chocs • Régime permanent

30. Conclusion volcano • Écoulements multiphasiques : • Comment caractériser chaque phase (flux, fraction volumique, pression, tension de surface…) • Comment définir la rhéologie du milieu équivalent : problème théorique en amont

31. Conclusion générale • La dynamique des fluides en labo est nécessaire pour : instabilités 3D - mélanges - multiphasique • Elle pose 3 types de problèmes • Mise au point des expériences qui sont particulières à chaque sujet d’étude • Préparation et caractérisation des fluides • Visualisation des écoulements

32. Au niveau financier... • Le problème majeur : la taille • Les expériences de part leur spécificité ne dépassent pas la taille critique des mi-lourds • Mais elles sont jugées trop chères pour les programmes non expérimentaux • Nécessité de trouver sa place dans ce programme...