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Ondes de surface dans un système de deux phases fluides superposées
M. Papoular
To cite this version:
M. Papoular. Ondes de surface dans un système de deux phases fluides superposées. Journal de
Physique, 1968, 29 (1), pp.81-87. �10.1051/jphys:0196800290108100�. �jpa-00206623�
ONDES
DESURFACE DANS
UNSYSTÈME DE DEUX PHASES FLUIDES SUPERPOSÉES
Par M.
PAPOULAR,
Laboratoire de Physique des Solides
(1),
Faculté des Sciencesd’Orsay, gi-Orsay,
France.(Reçu
le 20juin 1967.)
Résumé. 2014 On étudie la
propagation
et l’amortissement des ondes de surface dans unsystème
de deuxphases
fluidessuperposées. Lorsque
les effets de viscosité sontprédominants,
le
régime
devientapériodique,
les fluctuations de surface ne sepropageant plus.
Il estpossible d’analyser expérimentalement
ladynamique
des fluctuations par diffusioninélastique
delumière cohérente. En
régime périodique (faible viscosité),
on doit observer un doubletBrillouin,
et en
régime apériodique
une raie centrale nondéplacée
enfréquence.
Enpratique,
pour recueillirun
signal appréciable,
il faut observer la diffusion dans une direction voisine de la réflexionrégulière (écart
maximum de l’ordre dudegré).
Abstract. 2014 The
propagation
anddamping
of surface waves are considered in asystem
of two fluidphases.
Athigh
viscosities the flow becomesaperiodic,
the surface fluctuationsno
longer being propagated. Experimentally,
thedynamics
of fluctuations can be studiedthrough
inelasticscattering
of coherentlight.
At low viscosities(periodic flow),
one shouldobserve a Brillouin
doublet,
while acentral, undisplaced
line shouldcorrespond
toaperiodic
flow. In order for the
signal
to beappreciable,
one should observe thescattering
in a directionnear that of
regular
reflection(maximum
shift of order onedegree).
LE JOURNAL PHYSIQUE JANVIER 1968,
1.
Introduction.
- La loi dedispersion
des ondessuperficielles
à la surface libre d’un fluide est bienconnue
[1] :
(X est la tension
superficielle,
p la massespécifique
dufluide, g
l’accélération de lapesanteur.
Nous nous proposons ici de discuter la
dispersion
etl’amortissement des ondes de surface dans un
système
fluide
composé
d’unephase semi-infinie,
recouverted’une deuxième
phase d’épaisseur
hquelconque.
Lesdeux
phases
sontsupposées
infinies dans les direc- tionsparallèles
à l’interface(«
infini »signifie
bienentendu : très
grand
parrapport
auxlongueurs
d’onde
considérées).
Le terme degravité
n’estappré-
ciable par
rapport
au terme de tensionsuperficielle qu’aux
trèsgrandes longueurs
d’onde(typiquement :
À
= 2n >
1 cm; voir[1]).
Pour des raisonspratiques (expériences
de diffusion delumière,
voir§ IV),
nous(1)
laboratoire associé au C.N.R.S.ne nous intéressons ici
qu’à
deslongueurs
d’onde très inférieures aucentimètre,
cequi
nouspermettra
d’omettre le terme degravité
dans les calculs.Nous montrerons que l’on doit
distinguer
deuxrégimes
de fluctuationopposés,
suivant lerapport
duterme «
élastique »
detype : rxq3/p
au terme d’amor-tissement de
type : v2 q4 (le paramètre v
=n/p est
dit : viscosité
cinématique) [2].
Si«q3)p » v- q4@
il ya
propagation
d’ondes de surface peu amorties.Si
«q3)p « v2 q4,
@ les fluctuations de surface ne sepropagent
pas : on est enrégime apériodique.
Si l’on
envisage
alors uneexpérience
de diffusionde lumière cohérente par les fluctuations de
surface,
on
prévoit
que, dans lepremier
cas(régime oscillant),
la lumière sera diffusée suivant les
composantes
Stokes et anti-Stokes d’un doubletBrillouin,
alorsqu’en régime apériodique
la diffusion se fera selon uneraie centrale non
déplacée
enfréquence.
Une telleexpérience,
dont nous discutonsau §
IV les chancesde
réussite, permettrait
de mesurer avecprécision
etla tension
superficielle
et la viscosité.II.
Équations
du mouvement etconditions
auxlimites.
- Nousdésignons
par 1 le milieu fluideArticle published online by EDP Sciences and available at http://dx.doi.org/10.1051/jphys:0196800290108100
82
infini,
par l’ la couche fluided’épaisseur h;
par p, 7],v
et p
la massespécifique,
laviscosité,
la vitesse d’écou- lement et lapression
dans le milieu1;
parp’, 7~’,
v’et p‘
lesgrandeurs correspondantes
dans 1’.Enfin,
nousdésignons
par « et oc’ les tensionssuperficielles
àl’interface 1-l’ et à la surface libre de l’. Nous ne
faisons aucune
hypothèse quant
àl’importance
rela-tive de ces diverses
grandeurs.
On suppose par contre les deux fluidesincompressibles.
Nousdésignons
par Oz la direction verticale ascendante et nous fixons sonorigine
à l’interface 1-l’. Nous étudions la propaga- tion d’ondes de surface suivant la direction horizon- tale Ox.11.1.
ÉQUATIONS
DU MOUVEMENT. -- Dans le mi- lieu1,
on a :Les deux
premières équations
de cesystème repré-
sentent les
projections
sur Ox et Oz del’équation
deNavier-Stokes;
la troisième traduitl’incompressibilité
du milieu. On a dans le milieu l’ un
système identique d’équations.
On cherche des solutionsharmoniques
dela forme :
On suppose Re
m’ positif,
comme Re m. Le milieu 1étant infini ne
comporte
pas de termes ene-mz. On omettra dans la suite d’écrire le terme de
phase
Nous poserons, poursimplifier
encorel’écriture :
Les
équations (2)
donnent :II.2. CONDITIONS AUX LIMITES. - En 2’ = Ï2
(sur-
face libre de
1’),
les contraintes doivent être nulles :où 1’ représente
la fluctuation de coordonnée z sur la surface : v’dZ’
. Dérivant parrapport
autemps
la dernière des deux conditions ci-dessus et utilisant leséquations (4),
écrites à la cote z =h,
on obtient :De
même,
en z = 0(interface 1-l’),
vitesses et contraintes doivent êtrecontinues,
cequi
fournitquatre équations supplémentaires.
La relation de
dispersion
cherchée est donnée par la condition decompatibilité
de cesquatre équations
avec les deux
équations (5).
Elle se met sous la forme :D6
=0,
oùD6
est le déterminant(voir ( 6) ) .
Remarques :
a)
Dansl’expression
deD6,
nous avons utilisé larelation : ,
b)
Il est entendu que, sauf mentionexplicite,
m
représente
une notationcompacte
pourl’expres-
sion
(ce
-iy)
où lepremier
termereprésente
lapul-
sation et le second l’amortissement
(y
>0).
III.
Discussion, les
deuxrégimes d’amortissement.
- La relation de
dispersion D6
= 0 estindépendante
du choix des divers
paramètres.
Nous ne la résoudronscependant
que dans deux cas limites : nous suppo-serons d’abord que le milieu l’ est infini comme 1
(qh > 1),
ensuitequ’il
est réduit à un filmsuperficiel (qh 1 ) .
Dans chacun de ces cas, nousenvisagerons
successivement deux situations extrêmes .
2 )
1(régime périodique)
etvq2 «
1(régime apério-
dique).
’JqI I I .1. DEUX FLUIDES INFINIS
(qh » 1).
- Deuxpossibilités
seprésentent : 1 m’h 1
> 1ou ~ m’ h ~
1.Nous écartons la seconde
qui représenterait
unrégime
très fortement amorti :
y ^~ v’ q2.
Nous nousplaçons
donc dans le cas où :
qh » 1 »
1. Le déter- minantD6
se réduit alors auproduit D2 D4
de deuxdéterminants d’ordres 2 et 4
respectivement. D2
= 0se met sous la forme :
qui représente
la loi dedispersion
des ondessuperfi-
cielles à la surface libre du milieu 1’. Suivant que oc, est très
supérieur
ou très inférieur à v’2q4,
onest en
régime périodique :
ou
apériodique :
(racine purement imaginaire) . (8 b)
De
même, D4 =
0représente
ladispersion
desondes
superficielles
à l’interface 1-l’. Ces ondes sont totalementdécouplées
desprécédentes puisque
la pro- fondeur depénétration
d’une onde de surface dans le milieu 1’ est d’ordreq-1
ou(Re
et que noussupposons qh » 1, 1 mh 1 »
1.D4
= 0 se réduit à :84
Il est facile de voir que cette
équation
reste inva-riante par
permutation
de p, 7~ m etp’, J1’,
m’. Cecitraduit
simplement
lasymétrie
duproblème,
dans lecas
considéré qh > 1,
parrapport
auxparamètres
des deux milieux
(rappelons
que nous avons d’embléenégligé
les effets degravité).
a) Régime périodique.
- Poursimplifier (9),
noussupposons l’un des milieux - l’ par
exemple
- beau-coup moins
visqueux
quel’autre,
lui-même assez peuvisqueux
pour que les ondes étudiées soient peu amorties :On trouve :
b) Régime apériodique.
- Le résultatprécédent
sup-pose - aq3 , » v2q4.
Si on renverse cetteinégalité P+P
(en
ne faisantplus d’hypothèse
restrictive sur les valeurs relatives de v etv’) : v2 q4 (ou v’2 q4),
@P + P
on obtient pour
l’équation (9)
uneracine, purement
imaginaire,
de module :Il est clair que
(8 a)
et(8 b)
sont bien des casparti-
culiers de
(10 a)
et(10 b).
III.2. FILM SUPERFICIEL
(qh « 1).
- Dans ce cas,m’ h )
1supposerait
dans le film une viscosité si faible que l’écoulement seraitpratiquement poten-
tiel[1].
Si l’onpeut également négliger
les effets de viscosité dans le milieu1,
il estplus simple
de traiterle
problème
par la théorie des fluides idéals enrégime
d’écoulement
potentiel. Compte
tenu des conditionsaux
limites,
on obtient :Soit,
pourqh 1,
deuxrégimes périodiques (fai-
blement
amortis) :
Remarque.
- Dans la limiteopposée qh » 1, l’équa-
tion
( 11 ~
redonne :Plaçons-nous
maintenant dans la situationopposée : 1 1,
commeqh.
En ne retenant que les termes du 1 er ordre en
h,
la relation de
dispersion D6
= 0prend
la forme :a) Régime périodique.
- Sivq2, v’ q2,
on tirede
(13) :
Si
vq2 v’ q2 (ce qui
suppose un film consi- dérablementplus visqueux
que le fluidesous-jacent) :
Notons que l’on retrouve ce résultat en considérant le
film,
dupoint
de vue del’amortissement,
commeune
pellicule
solideposée
sur le fluide[1].
Laprésence
du film accroît l’amortissement dans la
proportion :
4
2vq2
1 c’est l’effet « calmant » bien connu del’huile sur l’eau.
b) Régime apériodique.
-Si 1 vq2 (7)’ quel- conque), (13)
donne :III.3.
REMARQUES. - a)
Les résultats(14), (15)
et
(16)
ont été obtenus en ne tenantcompte
que des forces ordinaires de tensionsuperficielle,
normales à lasurface. Or la déformation même du film suscite des forces
tangentielles, proportionnelles
auxgradients
detension
superficielle.
Ces forces s’annulent si le fluidesous-jacent
est considéré comme idéal[1].
Mais dansun calcul
complet
du casgénéral,
elles doivent êtreprises
encompte.
b)
Lacomparaison
de(14)
et(16)
avec(8 a)
et(8 b)
montre que, dans les conditions relatives à ces
résultats,
le seul rôle du film est de modifier la tension super- ficielle.
c)
Revenant aux conditions de validité des diffé-rents résultats
obtenus,
on aboutit au critère suivant :suivant que le terme de tension
superficielle
detype «q3Jp
est trèsgrand
ou trèspetit
parrapport
auterme de viscosité de
type v2 q~,
lerégime
des fluctua- tions de surface estpériodique
ouapériodique.
En
particulier,
enrégime apériodique,
l’amortis-sement y
- Î
est très inférieur àvq2, grandeur qui
mesure engénéral
l’amortissement des oscillationsen
régime périodique (voir
parexemple (8 a) ) .
IV. Diffusion
inélastique
de lumière cohérente par les ondes de surface. - IV . 1. LA THÉORIE DE RAY- LEIGH-MANDELSTAM. - Sur la base d’une théorie dela réflexion diffuse sur une surface
irrégulière
due àRayleigh [3],
Mandelstam[4]
a étudié la diffusion de la lumière ordinaire par les fluctuationsthermiques
de la surface libre d’un fluide. Il a d’abord calculé
l’amplitude quadratique
moyenne de ces fluctuations à l’aide de formules dethermodynamique classique.
Utilisant ensuite les résultats que
Rayleigh
avaitdéduits de la théorie des
réseaux,
il a pu calculerl’amplitude
de la lumière diffusée elle-même. Man- delstam a obtenu la formule suivante pour l’intensité diffusée dans unangle
solidedQ
autour de la direc- tion(cp, Oq)
à latempérature
T :À et
10
sont lalongueur
d’onde et l’intensité du rayon-nement
incident; kB le
facteur deBoltzmann;
ex latension
superficielle; 0 l’angle d’incidence; 6q l’angle
de diffusion et cp
l’angle
que fait leplan
de diffusionavec le
plan
d’incidence. Le vecteur d’onde q de la fluctuation de surfaceresponsable
de cette diffusionest donné en module par :
Enfin,
le facteurangulaire 1(8, Oq, c~) dépend
peu de (p, pour p 1.Pour cp =
0,
il est donné par les formulessuivantes,
1> et étant les
angles
de réfractionrégulière
etdiffuse :
a) Champ électrique
dans leplan d’incidence :
h) Champ électrique perpendiculaire
auplan
d’in-cidence :
On voit sur la formule
(17)
que le rendement de diffusionDIII,
est d’autantplus grand
que q estplus petit. (18)
montre alorsqu’on
a intérêt à étudier la diffusion dans leplan
d’incidence(c~
=0)
et dansune direction aussi voisine que
possible
de la réflexionrégulière (8q ~ 6) .
Dans lapratique,
on devra selimiter à :
(8q - 8) N quelques
minutesd’angle,
soitavec une lumière
visible, à q N
300 cm-l. Dans cesconditions, (19 a)
montrequ’en polarisation parallèle
il faut éviter l’incidence de
Brewster (e + (D = n/2)
qui supprime
la réflexion diffuse comme la réflexion86
régulière. D’ailleurs,
si on travaille sousangle
d’inci-dence
faible, (19 a)
et(19 b)
sesimplifient
etprennent
la même forme :où n est l’indice de réfraction du fluide.
Substituant
(20)
dans(17),
on trouve :IV . 2. DisCUSSION.
- a)
Dupoint
de vueexpéri- mental,
il est clair que l’on a intérêt à travailler enlumière
cohérente,
à la fois du fait des faiblesangles impliqués (la dispersion angulaire
d’un faisceau laserest de l’ordre de la
demi-minute),
et parce que l’on pourra fairel’analyse
enfréquence
de la lumièrediffusée.
Prenons par
exemple
lescaractéristiques numériques
d’un interface eau-air à
l’ambiante,
soit :et un
rayonnement
de0,5
!-le Si l’on observe à 10’ de la direction de réflexionrégulière,
on vérifiequ’on
estlargement
enrégime périodique
et la formule(21)
donne la valeur suivante pour le rendement de réflexion diffuse par unité
d’angle
solide :et les formules
(8 a),
pour ledéplacement
defréquence
et la
largeur
de raie :Ces valeurs
permettent d’espérer qu’une expérience
effectuée dans ces conditions donnerait facilement des résultats
positifs.
Notamment l’ordre degrandeur
durendement
(obtenu grâce
aux faibles écartsangulaires choisis)
estlargement supérieur
aux rendements ordi- naires de diffusion en volume.b)
La formule de Mandelstam nedépend
pas de laviscosité,
donc durégime
des fluctuations. Enrégime périodique,
la lumière est diffusée suivant les deux com-posantes
d’un doublet « Brillouin »; chacune de cescomposantes correspond
à l’une des deux racines réel- les de la relation dedisp.ersion
ce = + Enrégime apériodique,
cette relation n’aqu’une
racineimaginaire physiquement
intéressante :et la lumière est diffusée suivant une seule raie centrale
(non déplacée
enfréquence)
delargeur
y. On pour- rait enprincipe envisager
de suivre l’évolution duspectre
d’une forme àl’autre,
parsimple
variationde
(620136),
c’est-à-dire de q,passant
d’unrégime
d’amortissement
» 1
à l’autre1
Mais il faudrait
augmenter q
d’au moins deux ordres degrandeur,
donc diminuerdI)4
d’un fac-teur
104,
et l’on serait limité par la sensibilité del’expérience.
Onpourrait
par contre observerplus
facilement les deux
types
despectre
sur deux fluides de viscosités très différentes : parexemple
l’eau(dou- blet)
et une huileépaisse
de viscosité J1 ~ 1gj(cm.s) (raie centrale).
Remarque.
- Une des difficultésexpérimentales majeures
sera sans doute d’assurer à la surface unepropreté rigoureuse.
Despoussières
détermineraientune diffusion centrale
susceptible
de masquer la raie«
apériodique
».c)
Dans cettesection,
nous n’avons discutéjus- qu’ici
que le cas de la surface libre d’unfluide,
doncd’un seul indice de réfraction. A
partir
des calculs deRayleigh [3],
onpeut
montrer que laprésence
d’un film
superficiel
mince(h C A),
introduisant undeuxième
indice, augmente
engénéral
le rende-ment
DIII.,
par réflexionsmultiples
sur les deux facesdu film. On
peut
doncenvisager
de vérifier des lois de variationplus particulières,
telles que :V. Conclusion. - La méthode de diffusion inélas-
tique
de lumière cohérente que nous venons de décrire devraitpermettre
une mesureprécise
des coefficients de tensionsuperficielle
et de viscosité[5].
ocpourrait
être déduit soit d’une mesure d’intensité diffusée
(formule
de Mandelstam(17)),
soit - avec unemeilleure
précision
- duspectre
diffusé. Enrégime périodique
parexemple, rx1l2
estproportionnel
audépla-
cement de
fréquence,
tandis que laviscosité n
est donnéepar la
largeur
de la raie diffusée(formules (8 a) ) .
Nous avons vu aussi que
l’analyse
enfréquence
per- mettrait de vérifier desexpressions particulières
tellesque
(15).
Une
application
intéressante consisterait à suivre la décroissance de ce àl’approche
d’unpoint critique thermodynamique
ou d’unpoint
dedémixtion,
c’est-à-dire
lorsque
laséparation
des deuxphases
est sur lepoint
dedisparaître.
Il n’existe pas, à notre connais- sance, de théorieacceptable
de cephénomène.
Dupoint
de vueexpérimental,
il est certain que dans lecas
général
unecomplication importante
résulterait de l’annulation simultanée de la différence des indices de réfraction(voir
formule(21 ) ) .
Par contre, onpeut envisager l’expérience
dans le cas d’un filmsuperfi-
ciel l’ sur un fluide 1 au
voisinage
dupoint
de mixtionde ces deux
phases. Plaçons-nous
parexemple
enrégime périodique;
nous avons vu(formule ( 14) )
que :m2 = ~’ + «
q3.
L’évolution entempérature
de l’écartP
entre les
composantes
du doublet Brillouinpermettra
de déterminer la loioc(T)
en supposant connues lesdépendances
rx’( T)
etp ( T ) .
Remerciements. -
J’adresse
mes remerciements à M. le Professeur P. G. de Gennesqui
m’aproposé
d’étu-dier ce
problème
et m’a fait bénéficier de ses remarques.Notes
ajoutées
surépreuves.
1 ~ Ce travail était achevé
lorsque parut
une noteexpérimentale
serapportant
au mêmesujet [Ka- tyl (R. H.)
etIngard (U.), Phys.
Rev.Lett., 1967, 19, 64].
Ces auteurs ont cherché à étudier la diffusion de lumière à la surface libre du méthanol d’unepart,
del’isopropanol
d’autrepart;
mais les résultats(prélimi- naires)
obtenus ne sont pas trèsprobants
du fait des écartsangulaires
considérablesqu’ils
se sont fixés(cep = 50-, 0
=800, Oq
=700).
Il est mêmesurprenant, compte
tenu de cesécarts,
de voir les auteurs citésattribuer la moitié de leur
signal
à la diffusion desurface,
l’autre moitié seulement étant attribuée à la diffusion en volume.20 Il est intéressant de
rappeler
que leconcept
de tensionsuperficielle
ne concerne pas que les interfaces de milieux fluides. Ainsi W. W. Mullins et R. F. Se- kerka( J. Appl. Phys., 1964, 35, 444), prenant
encompte
la tensionsuperficielle
à l’interfaceliquide-
solide d’un
alliage
binairedilué,
en cours de solidifi-cation,
ont pu aboutir à un critèregénéral
de stabilitéde forme de l’interface. Il est clair en effet que la tension
superficielle
oc(notre notation), jouant
par définition le rôle de constante derappel
àl’égard
des
courbures,
tend à stabiliser laplanéité
de l’inter- face. Dans le modèle de Mullins etSekerka,
la loid’évolution d’une
perturbation superficielle comporte
un terme d’amortissement
proportionnel
à oc. C’estégalement
le cas dans notreexpression (8 b) :
y =2 ,
relative au
régime apériodique. [Je
suis reconnaissant à M. le ProfesseurJ.
Friedel d’avoir bien voulu mesignaler
cetteanalogie.]
BIBLIOGRAPHIE
[1]
LANDAU(L. D.)
et LIFSHITZ(E. M.),
Course of theo-retical
Physics :
« Fluid Mechanics ».[2]
LANDAU et LIFSHITZ[1]
font une distinctionanalogue
dans le cas d’ondes de surface
purement
«gravita-
tionnelles » à la surface libre d’un fluide.
[3]
RAYLEIGH(J. W.),
ScientificPapers,
V 322, 388.[4]
MANDELSTAM(L. I.),
Ann. derPhysik,
1913, 41, 609.[5]
Une telleexpérience
est actuellementprojetée
par Mme M. BOUCHIAT etM. J.
MEUNIER au Labora-toire de