2.2
Dispositif expérimental et protocole
En me basant sur les études précédentes, j’ai considéré la structure formée par un cadre en forme de prisme à base triangulaire trempé dans une solution de tensioactif. Le bord de Plateau central sera créé horizontalement pour limiter les effets de la gravité (évasement du bord de Plateau). Il sera alimenté en liquide à débit constant pour contrôler son épaisseur. Le cadre possèdera des dimensions ajustables afin de modifier la longueur du bord de Plateau et la largeur des films.
injection de solution
cadre prismatique
Figure 2.4 – Création d’une cellule élémentaire de mousse : une cellule élémentaire de mousse est formée par
un cadre prismatique triangulaire (lignes fines) trempé dans une solution de tensioactif. Au centre de cette cellule, un long bord de Plateau soutenu par trois films. Il est horizontal et de dimension ajustable et reproductible.
g g g h 0 reservoir de liquide Pression exterieur P0 bord de Plateau Q Caméra Rapide Caméra Lente bord de Plateau éclairage film bord de Plateau Laser Caméra Rapide Diffuseur 543 nm a) b) c) z y z x y x y
Figure 2.5 – Schéma du montage expérimental. Le bord de Plateau est représenté en rouge sur les dessins. a)
Dispositif d’alimentation du bord de Plateau en solution. La surpression due à la différence de hauteur entre la surface du liquide dans le réservoir et la sortie du tuyau crée un écoulement de débit constant Q. b) Dispositif d’observation du bord de Plateau. Une caméra rapide permet de visionner le plan (Oyz) et une caméra lente permet de visionner le plan (Oxy) avec un éclairage en transmission. c) Dispositif d’observation des franges d’isoépaisseur d’un des trois films à l’aide d’un laser monochromatique cohérent dont le faisceau est étendu. L’éclairage est en réflexion.
2.2.1
Géométrie
Le cadre considéré pour former la cellule élémentaire de mousse est composé de deux tri- angles équilatéraux rigides de longueur d’arêtes égale à 1cm, 3cm, ou 6.5cm. Les triangles sont placés face à face et les sommets sont reliés par trois câbles métallique de diamètre 0.4mm. La distance entre les deux triangles est fixée entre 2cm et 15cm (bornes définies pour des raisons de stabilité du bord de Plateau et d’observations). Une fois les dimensions du cadre choisies, le cadre n’est plus modifié durant l’expérience. Pour élaborer la cellule, un bain de solution de tensioactifs (voir section 2.3) est amené jusqu’au cadre pour le tremper. Ceci pour ne pas perturber la stabilité de la cellule en déplaçant le cadre.
Une fois trempé, le cadre forme un long bord de Plateau central dont la longueur L est définie par la distance entre les triangles. La longueur du bord de Plateau sera entre 1.5cm et 14.5cm. La largeur des films l est quant à elle fixée par la longueur des arêtes des triangles. l prend les valeurs 0.5cm, 1.5cm ou 3.3cm en fonction de la base triangulaire choisie. Le bord de Plateau est limité par un vertex de chaque côté. Ces derniers sont reliés aux trois sommets de chaque face triangulaire par trois autres bords de Plateau. La position des vertex par rapport aux triangles est fixe et ne dépend que de la taille du triangle (figure 2.4).
Le bord de Plateau central est horizontal mais l’orientation des trois films qui le soutiennent peut être modifiée en tournant le cadre sur 360o autour de l’axe principal du bord de Plateau.
On fixe Oz cette axe, (Oxz) le plan horizontal et (Oyz) le plan vertical.
On choisira principalement deux positions, une position avec deux films inclinés en haut et un film vertical en bas (formant ainsi un Y droit, symbolisé par ’Y’) et une position avec l’un des films en position horizontale (formant ainsi un Y couché, symbolisé par ’ ’). Le choix de l’une ou l’autre de ces positions permettra de réaliser des observations sous différents angles de vue du système films-bord de Plateau. Du fait de la taille micrométrique des films, on suppose les films insensibles à la gravité en épaisseur et donc à l’orientation des films autour du bord de Plateau (l’épaisseur des film est inférieur à la longueur capillaire Lc =
qγ
ρg ' 1mm). Aucun
effet de la gravité n’est observé sur la longueur du bord de Plateau horizontal (écoulements ou fléchissement du bord de Plateau sous le poids du liquide) mais du drainage gravitaire apparait pour les films non horizontaux. Toutefois ce drainage est lent (sur des temps de l’ordre de la dizaine de secondes) donc on peut supposer que les dynamiques rapides (agissant sur des temps de l’ordre de la milliseconde) que je vais étudier sont insensibles à l’orientation des trois films au repos autour de l’axe Oz.
Ce dispositif permet de contrôler la longueur du bord de Plateau L, la largeur des films l ainsi que leurs orientations.
2.2.2
Alimentation en liquide à débit constant
La cellule élémentaire est alimentée en liquide afin de contrôler le rayon de courbure du bord de Plateau, R. Un embout de seringue est fixé au cadre. Il est relié à un réservoir de liquide par un tuyau. La surface du liquide dans le réservoir est à une hauteur h de l’embout. Cela crée une différence de pression égale à ρgh entre la surface du liquide dans le réservoir et l’embout de seringue. Le réservoir est suffisamment grand pour que la hauteur h ne varie pas significativement durant une expérience. En prenant en compte la perte de charge liée à la géométrie du tuyau, ce dispositif crée un écoulement à débit Q constant dans le système. Ce dispositif d’alimentation basé sur la pression hydrostatique est schématisé sur la figure 2.5a.
Parmi l’ensemble du liquide déversé dans le système, seule une partie se retrouve dans le bord de Plateau, le reste pouvant s’échapper en s’écoulant le long du cadre, dans les films et dans les autres bords de Plateau. Il n’est donc pas possible de connaitre exactement la quantité de liquide injecté dans le bord de Plateau central. A noter que l’injection de liquide crée un écoulement dans le bord de Plateau central du côté alimenté vers le côté non alimenté.
2.2. Dispositif expérimental et protocole
Le rayon de courbure du bord de Plateau R augmente avec h. En variant h de 0 à 0.5m, R varie de 0.1mm à 1.8mm. La plus petite taille est obtenue avec un débit nul, il n’est donc pas possible de descendre au dessous. Lorsque le débit est trop important, des écoulements turbulents apparaissent dans le bord de Plateau et les films. Ils ne sont donc plus d’épaisseurs homogènes. Le plus grand rayon de courbure est obtenu juste avant l’apparition de tourbillons dans les films. Le bord de Plateau créé est de rayon de courbure homogène sur tout son long.
2.2.3
Conditions expérimentales
Alimenter la cellule en liquide permet de palier aux pertes induites par l’évaporation et le drainage gravitaire. Sans ce drainage forcé la cellule a une durée de vie de l’ordre de 10s. Avec le drainage forcé cette durée de vie dépasse 30s. Elle varie en fonction de la température, des courants d’air et du taux d’humidité ambiants.
L’ensemble des expériences présentées ont été réalisées dans une pièce thermostatée à (20 ± 2)oC dans les conditions normales de pression atmosphérique. Aucune précaution particulière
n’a été prise pour contrôler l’humidité ambiante. Les courants d’air ont été limités.
Nous avons donc élaboré une cellule élémentaire de mousse qui est reproductible et dont toutes les caractéristiques géométriques sont contrôlées.