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Internal dynamics of Newtonian and viscoplastic fluid avalanches down a sloping bed

Résumé

We experimentally investigated the spreading of fluid avalanches (i.e., fixed volumes of fluid) down an inclined flume. Emphasis was given to the velocity field within the head. Using specific imaging techniques, we were able to measure velocity profiles within the flowing fluid far from the sidewalls. We studied the behavior of Newtonian and viscoplastic fluids for various flume inclinations and initial masses. For the Newtonian fluids tested (glycerol and Triton X100), we compared the measured velocity field with that predicted by lubrication theory. Provided that the flow Reynolds number Re was sufficiently low (typically Re < 1), there was excellent agreement between theory and experiment except for the very thin region just behind the contact line. For higher Reynolds numbers (typically Re similar to 10), the discrepancy between theory and experiment was more marked (relative errors up to 17% for the body). As viscoplastic materials, we used Carbopol ultrez 10. For the body, agreement between theoretical and measured velocity profiles was fairly satisfactory whereas it was very poor for the tip region as the curvature of the free surface became more pronounced: the velocities were not only much lower than those predicted by lubrication theory, but there was also evidence of slipping in the flow part adjacent to the contact line. (C) 2012 American Institute of Physics. [http://dx.doi.org/10.1063/1.4718018]

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Fluide newtonien
On appelle fluide newtonien (en hommage à Isaac Newton) un fluide dont la loi contrainte – vitesse de déformation est linéaire. La constante de proportionnalité est appelée viscosité. Viscosité L’équation décrivant le « comportement newtonien » en description eulérienne est : où : est la contrainte de cisaillement exercée par le fluide (à l'origine des forces de traînée), exprimée en Pa ; est la viscosité dynamique du fluide — une constante de proportionnalité caractéristique du matériau, en ; est le gradient de vitesse perpendiculaire à la direction de cisaillement, en s−1.
Nombre de Reynolds
En mécanique des fluides, le , noté , est un nombre sans dimension caractéristique de la transition laminaire-turbulent. Il est mis en évidence en par Osborne Reynolds. Le nombre de Reynold est applicable à tout écoulement de fluide visqueux, et prévoit son régime. Pour des petites valeurs de , le régime est dominé par la viscosité et l'écoulement est laminaire. Pour les grandes valeurs de , le régime est dominé par l'inertie et l'écoulement est turbulent.
Dynamique des fluides
La dynamique des fluides (hydrodynamique ou aérodynamique), est l'étude des mouvements des fluides, qu'ils soient liquides ou gazeux. Elle fait partie de la mécanique des fluides avec l'hydrostatique (statique des fluides). La résolution d'un problème de dynamique des fluides demande de calculer diverses propriétés des fluides comme la vitesse, la viscosité, la densité, la pression et la température en tant que fonctions de l'espace et du temps.
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