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Dissertations / Theses on the topic 'Marangoni-convection'
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Hoefsloot, Hubertus Cornelis Josef. "Marangoni convection under microgravity conditions." [S.l. : [Groningen : s.n.] ; University of Groningen] [Host], 1992. http://irs.ub.rug.nl/ppn/.
Full text
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Melnikov, Denis. "Development of numerical code for the study of marangoni convection." Doctoral thesis, Universite Libre de Bruxelles, 2004. http://hdl.handle.net/2013/ULB-DIPOT:oai:dipot.ulb.ac.be:2013/211178.
Full textAbstract:
A numerical code for solving the time-dependent incompressible 3D Navier-Stokes equations with finite volumes on overlapping staggered grids in cylindrical and rectangular geometry is developed. In the code, written in FORTRAN, the momentum equation for the velocity is solved by projection method and Poisson equation for the pressure is solved by ADI implicit method in two directions combined with discrete fast Fourier transform in the third direction. A special technique for overcoming the singularity on the cylinder's axis is developed. This code, taking into account dependence upon temperature of the viscosity, density and surface tension of the liquid, is used to study the fluid motion in a cylinder with free cylindrical surface (under normal and zero-gravity conditions); and in a rectangular closed cell with a source of thermocapillary convection (bubble inside attached to one of the cell's faces). They are significant problems in crystal growth and in general experiments in fluid dynamics respectively. Nevertheless, the main study is dedicated to the liquid bridge problem.The development of thermocapillary convection inside a cylindrical liquid bridge is investigated by using a direct numerical simulation of the 3D, time-dependent problem for a wide range of Prandtl numbers, Pr = 0.01 - 108. For Pr > 0.08 (e.g. silicon oils), above the critical value of temperature difference between the supporting disks, two counter propagating hydrothermal waves bifurcate from the 2D steady state. The existence of standing and traveling waves is discussed. The dependence of viscosity upon temperature is taken into account. For Pr = 4, 0-g conditions, and for Pr = 18.8, 1-g case with unit aspect ratio an investigation of the onset of chaos was numerically carried out.
For a Pr = 108 liquid bridge under terrestrial conditions ,the appearance and the development of thermoconvective oscillatory flows were investigated for different ambient conditions around the free surface.
Transition from 2D thermoconvective steady flow to a 3D flow is considered for low-Prandtl fluids (Pr = 0.01) in a liquid bridge with a non-cylindrical free surface. For Pr < 0.08 (e.g. liquid metals), in supercritical region of parameters 3D but non-oscillatory convective flow is observed. The computer program developed for this simulation transforms the original non-rectangular physical domain into a rectangular computational domain.
A study of how presence of a bubble in experimental rectangular cell influences the convective flow when carrying out microgravity experiments. As a model, a real experiment called TRAMP is numerically simulated. The obtained results were very different from what was expected. First, because of residual gravity taking place on board any spacecraft; second, due to presence of a bubble having appeared on the experimental cell's wall. Real data obtained from experimental observations were taken for the calculations.
Doctorat en sciences appliquées
info:eu-repo/semantics/nonPublished
3
Becerril, Bárcenas Ricardo. "Instabilities and onset in double diffusive and long-wavelength Marangoni convection /." Digital version accessible at:, 1998. http://wwwlib.umi.com/cr/utexas/main.
Full text
4
Yuan, Zhe. "The effect of surfactant vapor on Marangoni convection in absorption and condensation." College Park, Md. : University of Maryland, 2005. http://hdl.handle.net/1903/3106.
Full textAbstract:
Thesis (Ph. D.) -- University of Maryland, College Park, 2005.Thesis research directed by: Mechanical Engineering. Title from t.p. of PDF. Includes bibliographical references. Published by UMI Dissertation Services, Ann Arbor, Mich. Also available in paper.
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Boeck, Thomas. "Bénard-Marangoni convection at low Prandtl numbers : results of direct numerical simulations /." Aachen : Shaker, 2000. http://www.gbv.de/dms/ilmenau/toc/31785867X.PDF.
Full text
6
Li, Yaofa. "Experimental studies of Marangoni convection with buoyancy in simple and binary fluids." Diss., Georgia Institute of Technology, 2015. http://hdl.handle.net/1853/53893.
Full textAbstract:
The flow in a layer of volatile fluid driven by a horizontal temperature gradient is a fundamental transport model for numerous evaporative passive cooling applications. When a thin film of a volatile liquid is subject to a horizontal temperature gradient, changes in the surface tension at the free surface lead to Marangoni stresses that drive the flow. In a thicker liquid layer, the flow is also affected by buoyancy. This thesis describes experimental studies of convection driven by a combined action of Marangoni stresses and buoyancy in simple and binary volatile liquid layers confined in a sealed rectangular cavity heated at one end and cooled at the other. Experiments with varying concentrations of noncondensables (i.e., air) ca were performed to investigate their effect on the phase change and heat and mass transport.
In the simple liquid, thermocapillary stresses drive the liquid near the free surface away from the heated end. Varying ca is shown to strongly affect the stability of this buoyancy-thermocapillary flow for Marangoni numbers Ma = 290 - 3600 and dynamic Bond numbers BoD = 0.56 - 0.82: removing air suppresses transition to multicellular and unsteady flow. The results are compared with numerical simulations and linear stability analysis. In the binary liquid considered here, a methanol-water (MeOH-H2O) mixture, solutocapillary stresses drive the flow near the free surface towards the heated end. Four distinct flow regimes are identified for this complex flow driven by thermocapillarity, solutocapillarity, and buoyancy, and are summarized in a flow regime map as a function of ca and the liquid composition (MeOH concentration). At low ca, solutocapillary effects are strong enough to drive the liquid near the free surface towards the heated end over the entire liquid layer, suggesting that binary-fluid coolants could significantly reduce film dryout.
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Boeck, Thomas. "Benard-Marangoni convection at low Prandtl numbers : results of direct numerical simulations /." Aachen : Shaker, 2000. http://bvbr.bib-bvb.de:8991/F?func=service&doc_library=BVB01&doc_number=009061205&line_number=0001&func_code=DB_RECORDS&service_type=MEDIA.
Full text
8
Rongy, Laurence. "Influence of Marangoni and buoyancy convection on the propagation of reaction-diffusion fronts." Doctoral thesis, Universite Libre de Bruxelles, 2008. http://hdl.handle.net/2013/ULB-DIPOT:oai:dipot.ulb.ac.be:2013/210495.
Full textAbstract:
Motivated by the existence of complex behaviors arising from interactions between chemistry and fluid dynamics in numerous research problems and every-day life situations, we theoretically investigate the dynamics resulting from the interplay between chemistry, diffusion, and fluid motions in a reactive aqueous solution. As a chemical reaction induces changes in the temperature and in the composition of the reactive medium, such a reaction can modify the properties of the solution (density, viscosity, surface tension,…) and thereby trigger convective motions, which in turn affect the reaction. Two classes of convective flows are commonly occurring in solutions open to air, namely Marangoni flows arising from surface tension gradients and buoyancy flows driven by density gradients. As both flows can be induced by compositional changes as well as thermal changes and in turn modify them, the resulting experimental dynamics are often complex. The purpose of our thesis is to gain insight into these intricate dynamics thanks to the theoretical analysis of model systems where only one type of convective flow is present. In particular, we numerically study the spatio-temporal evolution of model chemical fronts resulting from the coupling between reactions, diffusion, and convection. Such fronts correspond to self-organized interfaces between the products and the reactants, which typically have different density and surface tension. Fluid motions are therefore spontaneously induced due to these differences across the front.In this context, we first address the propagation of a model autocatalytic front in a horizontal solution layer, in the presence of pure Marangoni convection on the one hand and of pure buoyancy convection on the other hand. We evidence that, in both cases, the system attains an asymptotic dynamics characterized by a steady fluid vortex traveling with the front at a constant speed. The presence of convection results in a deformation and acceleration of the chemical front compared to the reaction-diffusion situation. However we note important differences between the Marangoni and buoyancy cases that could help differentiate experimentally between the influence of each hydrodynamic effect arising in solutions open to the air. We also consider how the kinetics and the exothermicity of the reaction influence the dynamics of the system. The propagation of an isothermal front occurring when two diffusive reactants are initially separated and react according to a simple bimolecular reaction is next studied in the presence of chemically-induced buoyancy convection. We show that the reaction-diffusion predictions established for convection-free systems are modified in the presence of fluid motions and propose a new way to classify the various possible reaction-diffusion-convection dynamics./En induisant des changements de composition et de température, une réaction chimique peut modifier les propriétés physiques (densité, viscosité, tension superficielle,…) de la solution dans laquelle elle se déroule et ainsi générer des mouvements de convection qui, à leur tour, peuvent affecter la réaction. Les deux sources de convection les plus courantes en solution ouverte à l’air sont les gradients de tension superficielle, ou effets Marangoni, et les gradients de densité. Comme ces deux sources sont en compétition et peuvent toutes deux résulter de différences de concentration ou de température, les dynamiques observées expérimentalement sont souvent complexes. Le but de notre thèse est de contribuer à la compréhension de telles dynamiques par une étude théorique analysant des modèles réaction-diffusion-convection simples. En particulier, nous étudions numériquement l’évolution spatio-temporelle de fronts chimiques résultant du couplage entre chimie non-linéaire, diffusion et hydrodynamique. Ces fronts constituent l’interface auto-organisée entre les produits et les réactifs qui typiquement ont des densités et tensions superficielles différentes. Des mouvements du fluide peuvent dès lors être spontanément initiés dus à ces différences au travers du front.
Dans ce contexte, nous étudions la propagation d’un front chimique autocatalytique se propageant dans une solution aqueuse horizontale, d’une part en la seule présence d’effets Marangoni, et d’autre part en présence uniquement d’effets de densité. Nous avons montré que dans les deux cas, le système atteint une dynamique asymptotique caractérisée par la présence d’un rouleau de convection stationnaire se propageant à vitesse constante avec le front. Ce front est à la fois déformé et accéléré par les mouvements convectifs par rapport à la situation réaction-diffusion. Nous avons mis en évidence d’importantes différences entre les deux régimes hydrodynamiques qui pourraient aider les expérimentateurs à différencier les effets de tension superficielle de ceux de densité générés par la propagation de fronts chimiques en solution. Nous avons également considéré l’influence de la cinétique de réaction ainsi que de l’exothermicité sur la dynamique de ces fronts. Enfin, nous avons étudié la propagation en présence de convection d’un front de réaction impliquant deux espèces de densités différentes, initialement séparées et réagissant selon une cinétique bimoléculaire. Nous avons montré que la convection modifie les propriétés réaction-diffusion du système et nous proposons de nouveaux critères pour classifier les dynamiques réaction-diffusion-convection.
Doctorat en Sciences
info:eu-repo/semantics/nonPublished
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Carvalho, Victor. "Mise en oeuvre de méthodes optiques de vélocimétries 2D et 3D appliquées à l’étude de l’effet Marangoni autour d’une bulle unique." Thesis, Besançon, 2014. http://www.theses.fr/2014BESA2073/document.
Full textAbstract:
La convection de Marangoni est un phénomène hydrodynamique qui apparaît en présence d'un gradient de tension de surface le long d'une interface entre deux fluides non miscibles. Il est possible de voir apparaître cette convection, dans les échangeurs de chaleur avec changement de phase, autour des bulles de vapeur. Cependant, la convection de Marangoni a longtemps été négligée devant les autres phénomènes intervenant dans le transfert de chaleur. A l'ère de la miniaturisation, il devient impossible de négliger cette micro convection. Le but de la thèse est donc de caractériser la dynamique d'écoulement de la convection de Marangoni autour d'une bulle. La première partie présente la résultats 2D obtenus autour d'une bulle d'air en présence d'un gradient de température. Ce cas est plus simple à mettre en oeuvre et permet ainsi de se familiariser avec la convection de Marangoni. La seconde partie porte cette fois-ci sur l'étude bidimensionnelle de cette convection autour d'une bulle de vapeur. Les résultats ont montré que le phénomène devenait très rapidement tridimensionnel . La dernière partie présente donc une méthode de mesure optique 3D innovatrice qui permet de connaître la dynamique de l'écoulement dans les trois dimensions et les trois composantesThe Marangoni convection is a phenomenon that appears in the presence of a tension surface gradient along an interface between two immiscible fluids. It is possible to observe that appear convection around vapor bubbles in the heat exchangers with the phase change. However, the Marangoni convection has been neglected to other phenomena involved in the heat transfer. In the age of miniaturization, it becomes impossible to overlook this micro convection. The aim of this thesis si to characterize the dynamics of Marangoni convection around a bubble. The first part deals with the 2D results around an air bubble in the presence of a temperature gradient. This case is easier to implement and allows having a better knowledge with the Marangoni convection. The second part focuses on the two-dimensional study of the convection around a vapor bubble The results showed that the phenomenon quickly became three-dimensional. The last section therefore presents a method for measuring optical innovative 3D3C
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Nagy, Peter Takahiro. "Investigation of Nonwetting System Failure and System Integration." Diss., Georgia Institute of Technology, 2006. http://hdl.handle.net/1853/13958.
Full textAbstract:
A droplet may be prevented from wetting a solid surface by the existence of a lubricating film of air, driven by theromcapillary convection, between liquid and solid surfaces. The noncontact nature and the load-carrying capability of a nonwetting droplet lead to potential engineering applications, e.g., low-friction bearings. The present research consists of two thrusts. The first is aimed at quantifying nonwetting-system failures (film and pinning) triggered by application of a mechanical load, gaining insights to failure mechanisms. Experimental results show that film failure occurs over a wide range of droplet volumes when the temperature difference between the droplet and the plate, the driving potential of the free-surface motion, is small. Interferometric observations reveal flow instability just prior to film failure, with the growth of a nonaxisymmetric disturbance on a free surface (m = 1). Pinning failure becomes more prevalent as the temperature difference is increased, stabilizing the film flow. As part of the present investigation, a system was devised, allowing an oscillating free-surface to be reconstructed from a series of interferograms. The dynamic responses of the free surface reveal mode coupling, with harmonics of the input frequency excited through nonlinearity.
The second thrust of the research succeeded in levitating and translating a droplet using the mechanism of permanent nonwetting. In this scheme, the droplet is heated by a CO2 laser and is placed above a cooled glass surface in order to drive the lubricating film that supports the weight of the drop. Furthermore, the position of the droplet can be controlled by moving the heating location, which leads to an asymmetry of the flow fields, driving air from the cooler-end of the droplet and propelling it towards the heat source. These demonstrations suggest the techniques potential use as a liquid-delivery scheme in a Lab-On-a-Chip system. Modeling is carried out to estimate propulsive forces on the droplet and to explain oscillatory behavior observed when excessive heating is applied on the drop. The concept to sandwich a droplet between two plates, a necessary configuration for levitating smaller droplets (less than mm-scale), is also discussed.
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Lee, Benjamin Chi-Pui. "Temperature gradient-driven Marangoni convection of a spherical liquid-liquid interface under reduced gravity conditions." Thesis, National Library of Canada = Bibliothèque nationale du Canada, 1999. http://www.collectionscanada.ca/obj/s4/f2/dsk1/tape8/PQDD_0003/MQ46102.pdf.
Full text
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Es-Sakhy, Moulay Rachid. "Convection de Rayleigh-Bénard-Marangoni en récipient cylindrique à fond conducteur soumis à un flux de chaleur localisé." Thesis, Pau, 2012. http://www.theses.fr/2012PAUU3029/document.
Full textAbstract:
Le présent travail de recherche concerne l'étude de la convection de Rayleigh-Bénard-Marangoni dans un récipient cylindrique doté d'un fond en substrat solide. Le substrat solide est chauffé sur sa face inférieure par un flux de chaleur localisé. L'étude comporte deux parties : La première partie du travail consiste en une modélisation physique du problème associée à des simulations numériques. Les équations de Navier-Stokes et de l'énergie sont résolues en 3D par une méthode de volumes finis. Un transfert de chaleur conjugué solide-liquide est considéré. Des morphologies originales de cellules (type et nombre) sont observées, elles dépendent des conditions géométriques, des nombres adimensionnels qui régissent la physique de l'écoulement (nombre de Prandtl, de Rayleigh et de Marangoni ainsi que du rapport des conductivités thermiques du substrat solide et du fluide). Les transferts de chaleur sont aussi évalués pour chaque cas d'étude. Dans la deuxième partie, nous allons détaillons une étude expérimentale de la convection de Rayleigh-Bénard-Marangoni dans la même configuration que celle étudiée numériquement. Les structures convectives et leurs évolutions sont étudiées à partir d’images relevées par thermographie infra-rouge. Différents modes d'organisation des cellules convectives ont pu être mis en évidence pour ce type de chauffage à flux thermique imposé non uniformeThe present research work concerns the study of Rayleigh-Bénard-Marangoni convection in a cylindrical container with a solid substrate base. This solid substrate is heated by a localized heat flux on its underside. The study is divided into two parts : The first part of the work consists of a physical modelling of the problem associated with numerical simulations. The Navier-Stokes and energy equations are solved by using a 3D finite volume method. A conjugate solid-liquid heat transfer is considered. Original morphology of cells (type and number) are observed, they are linked to the geometrical conditions, the dimensionless numbers which govern the physical problem (Prandtl, Rayleigh and Marangoni numbers and the ratio of solid substrate to liquid thermal conductivities). The heat transfers are also evaluated in each case. In the second part of the work, we present an experimental study of Rayleigh-Bénard-Marangoni convection in the same configuration as that studied numerically. Convective structures and their evolutions are studied from images recorded by infrared thermography. Different modes of organization of convective cells have been highlighted for this type of heating with imposed non-uniform heat flux
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Tadrous, Ebram. "Experimental investigation of the transition of Marangoni convection around a stationary gas bubble towards turbulent flow." Universitätsverlag Chemnitz, 2020. https://monarch.qucosa.de/id/qucosa%3A74993.
Full textAbstract:
In this study, thermocapillary-driven convection around a gas bubble under a horizontal
heated wall is experimentally investigated under gravitational conditions. The thermocapillary
convective flow under conditions beyond the laminar steady state towards turbulent flow is
explored in detail.
Generally, Marangoni convection is more critical and important under microgravity conditions
rather than on earth. Under low gravity, this surface tension induced flow can dictate both heat
and mass transfer processes. Thus, thermocapillary convection should be considered by
manufacturers during material production processes in space. Moreover, temperature gradients
can be purposefully used to eliminate or move bubbles or drops suspended in liquid materials.
In addition to that, thermocapillary convective flow appears in many other applications like
manufacturing of single-walled carbon nanotubes and mono crystal production, to mention only
few examples.
Researchers have always seen Marangoni convection as an interesting topic for both numerical
and experimental studies. Regarding the configuration of the injected gas bubble under a
horizontal heated wall, this physical problem is mainly characterized by a dimensionless
number that represents the ratio of convective heat flow induced by capillary convection to the
heat transfer due to conduction which is termed Marangoni number (Mg). The past decade has
seen different approaches to describe the flow behaviour at high Marangoni numbers. The
thermocapillary flow has been mainly investigated and categorized regarding a stable laminar
behaviour and a non-laminar one, which is characterized by periodic or non-periodic
oscillations. Through previous studies, the point of the transition of the thermocapillary flow
from the periodic oscillatory zone to the non-periodic one has been well investigated. However,
there is a lack of information about this non-periodic behaviour at very high temperature
gradients. Therefore, in the current study, our experimental investigations focus mainly on
exploring different factors affecting the non-periodicity of the Marangoni convection and on
explaining how this flow behaves under conditions above the transitional Marangoni number
(Mg tran ).
The experimental work was launched using a PIV technique and shadowgraphy. In addition to
that, temperature measurements at different locations in the matrix fluid around the air bubble
were conducted to determine the undisturbed temperature gradients at different boundary
conditions. The transient observation of both velocity and temperature measurements at
locations near the bubble allowed deeper insight in the behaviour of the thermocapillary bubbleconvection. Moreover, through shadowgraphy, a qualitative evaluation of the fluid flow
periodicity around the gas bubble was achieved. The implementation of experiments inside a
pressure chamber under gauge pressure conditions formed a novel methodology to enable us
conducting experiments under higher temperature gradients in order to reach high Marangoni
numbers.
The thermocapillary bubble convection was categorized into laminar, periodic oscillatory, and
non-periodic oscillatory flow. The periodic fluid flow oscillations were categorized in
symmetric and asymmetric ones depending on the different applied boundary conditions. The
non-periodic fluid flow oscillations around the gas bubble were also achieved at high
temperature gradients for different bubble aspect ratios. We proved that for every bubble size,
the non-periodic oscillatory state of the fluid flow around the gas bubble undergoes four
different modes (A-D). The last one (phase D) is a developed turbulent state starting at Mg-
numbers of 75000 for the smallest bubble aspect ratio of 1.2 up to the maximal measured Mg-
number of 140000 for a bubble aspect ratio of 2.3. Hence, turbulent thermocapillary bubble
convection was realized and studied in our experimental configuration. Moreover, the
thermocapillary flow driving velocities at the bubble periphery were measured at different
boundary conditions. This study clearly demonstrates that it is the high magnitude of the driving
velocity that initiates the interactions between thermocapillary flow vortices leading finally to
a highly developed oscillation mode (turbulent state) and that buoyancy plays a secondary role
in the described flow configuration.:1 INTRODUCTION
2 LITERATURE REVIEW
3 EXPERIMENTAL SETUP AND METHODOLOGY
4 RESULTS AND DISCUSSION
5 CONCLUSIONS AND RECOMMENDATIONSIn dieser Arbeit wird die thermokapillare Konvektion um eine Gasblase unter einer horizontal beheizten Wand unter Gravitationsbedingungen experimentell untersucht. Diese thermokapillare konvektive Strömung jenseits des laminaren stationären Zustands in Richtung turbulenter Strömung steht in dieser Arbeit im Fokus. Im Allgemeinen ist die Marangoni-Konvektion unter Schwerelosigkeitsbedingungen kritischer und wichtiger als auf der Erde. Unter geringen Schwerkraftkräften kann diese durch Oberflächenspannung induzierte Strömung sowohl Wärme- als auch Stoffübergangsprozesse maßgeblich bestimmen. Daher sollte die thermokapillare Konvektion bei Materialproduktionsprozessen im Weltraum berücksichtigt werden. Darüber hinaus können Temperaturgradienten gezielt angewendet werden, um in flüssigen Materialien suspendierte Blasen oder Tropfen zu entfernen oder zu bewegen. Außerdem tritt thermokapillare Strömung in vielen anderen Anwendungen auf, beispielsweise bei der Herstellung von einwandigen Kohlenstoffnanoröhren oder der Herstellung von Einkristallen, um nur einige Beispiele zu nennen. Forscher haben die Marangoni-Konvektion immer als ein wichtiges und interessantes Thema für numerische und experimentelle Studien betrachtet. In Bezug auf die Konfiguration der injizierten Blase unter einer horizontal beheizten Wand wird dieses physikalische Problem hauptsächlich durch eine dimensionslose Kennzahl, die das Verhältnis des durch Kapillarkonvektion induzierten konvektiven Wärmeübertragungs zur Wärmeübertragung durch Leitung darstellt und als Marangoni-Zahl (Mg) bezeichnet wird, definiert. In den letzten Jahrzehnten wurden verschiedene Ansätze zur Beschreibung des Strömungs-Verhaltens bei höheren Marangoni-Zahlen verfolgt. Dabei wurde die Thermokapillarströmung grundsätzlich in ein stabiles laminares und ein nicht laminares (oszillierendes) Verhalten, das durch periodische oder nicht periodische Geschwindigkeit- und Temperatur-Fluktuationen gekennzeichnet ist, eingeteilt. Durch frühere Studien wurde das Regime des Übergangs des thermokapillaren Verhaltens von der periodischen Schwingungszone zur nichtperiodischen gut untersucht. Es fehlen jedoch immer noch detaillierte Informationen über das nichtperiodische Verhalten bei sehr hohen Temperaturgradienten. Daher konzentrieren sich unsere experimentellen Untersuchungen in der vorliegenden Studie hauptsächlich auf die Untersuchung verschiedener Faktoren, die die Nichtperiodizität der konvektiven Thermokapillarströmung beeinflussen, und auf eine Klärung, wie sich diese Strömung unter verschiedenen Randbedingungen über der kritischen Marangoni-Zahl (Mg c ) verhält.Die experimentelle Arbeit wurde sowohl mit einer PIV-Technik als auch mit der Shadowgraph- Technik durchgeführt. Darüber hinaus waren Temperaturmessungen auf Sensorbasis an verschiedenen Stellen in der verwendeten Flüssigkeit um die Luftblase geeignet, um die ungestörten Temperaturgradienten bei verschiedenen Randbedingungen zu bestimmen. Die zeitabhängige Messung sowohl von Geschwindigkeiten als auch von Temperaturen an Orten in der Nähe der Blase lieferte Informationen über das Verhalten der Konvektion der thermokapillaren Strömung. Darüber hinaus wurde durch die Shadowgraph-Technik eine qualitative Bewertung der Fluidströmungsperiodizität um die Blase ermöglicht. Die Durchführung von Experimenten in einer Druckkammer unter Überdruck-Bedingungen bildet eine neuartige Methode, um solche Experimente unter höheren Temperaturgradienten durchzuführen und höhere Marangoni-Zahlen zu erreichen. Die thermokapillare Blasenkonvektion wurde in dieser Arbeit in laminaren stetigen Flüssigkeitsströmungen, periodischen und nichtperiodischen oszillierenden Flüssigkeitsströmungen eingeteilt. Die periodischen Fluidströmungsschwingungen wurden in Abhängigkeit von unterschiedlichen Randbedingungen in symmetrische und asymmetrische eingeteilt. Die nichtperiodischen Strömungsoszillationen um die Gasblase wurden auch bei hohen Temperaturgradienten für verschiedene Blasenaspektverhältnisse erreicht. Wir konnten zeigen, dass für jede Blasengröße der nichtperiodische Schwingungszustand der Strömung um die Gasblase vier verschiedene Modi (A-D) besitzen kann. Die letzte (Phase D) ist ein hoch entwickelter turbulenter Zustand, der bei Mg-Zahlen von 75000 für das kleinste Blasenaspektverhältnis von 1,2 bis zur maximal gemessenen Mg-Zahl von 140000 für das Blasenaspektverhältnis von 2,3 beginnt. Der ausgebildete turbulente Zustand der thermokapillaren Strömung konnte mit unserer experimentellen Konfiguration erstmalig erreicht werden. Darüber hinaus konnten die Antriebsgeschwindigkeiten der thermokapillaren Strömung an der Peripherie der Blase bei verschiedenen Randbedingungen gemessen werden. Diese Studie zeigt deutlich, dass es die Höhe der Antriebsgeschwindigkeit ist, welche die Wechselwirkungen zwischen thermokapillaren Strömungswirbeln unterschiedlicher Größe antreibt, die schließlich zu chaotischen Schwingungen der im Folgenden beschriebenen Grenzlinie führen. Diese Studie zeigt auch, dass die Auftriebskonvektion in der beschriebenen Strömungskonfiguration eine untergeordnete Rolle spielt.:1 INTRODUCTION 2 LITERATURE REVIEW 3 EXPERIMENTAL SETUP AND METHODOLOGY 4 RESULTS AND DISCUSSION 5 CONCLUSIONS AND RECOMMENDATIONS
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Zouine, Mohammed. "Structures spatiales et dynamique du désordre en convection de BENARD-MARANGONI dans de petits récipients étude expérimentale /." Grenoble 2 : ANRT, 1988. http://catalogue.bnf.fr/ark:/12148/cb37619357j.
Full text
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Zouine, Mohammed. "Structures spatiales et dynamique du désordre en convection de Bénard-Marangoni dans de petits récipients : Etude expérimentale." Aix-Marseille 1, 1988. http://www.theses.fr/1988AIX11150.
Full textAbstract:
On utilise des recipients triangulaire, carre, pentagonal, circulaire, annulaire ou en forme de croissant pour etudier l'influence de la geometrie sur le desordre. Etude de la selection du nombre d'onde en mettant en evidence le role jouec par l'orientation de certaines parois par rapport au reseau impose ainsi que la difference entre la longueur d'onde initiale et sa valeur finale
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Baudey-Laubier, Louis-Henri. "Modélisation et simulation numérique des transferts de masse et de chaleur induits par évaporation." Thesis, Paris Est, 2016. http://www.theses.fr/2016PESC1086/document.
Full textAbstract:
L’évaporation d’une solution solvant/soluté est un processus transitoire qui prend fin lorsque le solvant a totalement disparu. Le refroidissement créé par le changement de phase provoque des gradients à la fois thermiques et de concentration en solvant. Ces homogénéités diffusent ensuite dans l’épaisseur de la solution et sont susceptibles d’engendrer un écoulement fluide. L’origine de cette convection peut être liée à des variations de tension de surface ou de densité. Des travaux expérimentaux ont montré que l’épaisseur des dépôts issus de séchages de solutions solvant/soluté semblait pouvoir être corrélée avec les cellules de convection de la zone fluide. Une compréhension approfondie des phénomènes à l’origine de la convection devrait donc participer à un meilleur contrôle de la qualité des dépôts.Sur la base de travaux numériques et expérimentaux publiés, nous avons étudié l’apparition de la convection pour trois types de modèles représentant le processus d’évaporation d’une solution de Polyisobutylène-Toluène : un modèle purement thermique qui s’applique pour les temps courts, un modèle solutal qui est valable sur les temps longs et enfin un modèle couplé thermique/solutal qui représente les transferts sur l’ensemble de la gamme des temps étudiés. Le caractère transitoire de l’évaporation induit une difficulté pour caractériser la naissance de la convection à partir d’un régime de conduction. En effet, cette convection apparaît à partir d’un germe qui est une petite perturbation de la solution diffusive. Si l’amplitude de cette perturbation est trop faible, son amplification à des intensités suffisantes ne pourra pas avoir lieu avant la fin du régime transitoire et l’écoulement ne deviendra donc jamais convectif. Le rôle de la perturbation est donc primordial. Dans des travaux numériques antérieurs, cette perturbation a été imposée à l’état initial, généralement avec une distribution aléatoire du champ thermique ou de vitesse. Lors de cette thèse, nous avons opté pour un modèle plus physique, basé sur l’introduction d’un transfert thermique sur les parois latérales qui joue le rôle de perturbateur de l’écoulement diffusif transitoire.Dans cette thèse, nous avons établi par voie numérique les seuils de transition entre une solution diffusive et un écoulement convectif pour les modèles thermique, solutal et couplé, dans le cas d’une approximation bidimensionnelle du film liquide et des simulations pleinement tridimensionnelles. Des diagrammes spatio-temporels et l’étude des cellules à la surface libre par des reconstructions de Voronoï nous ont permis de mieux comprendre la naissance et la propagation des instabilités dans la solution fluideThe evaporation of a solvent/solute solution is a transient phenomenon which ends when the whole solvent has disappeared. Phase change generates a cooling of the liquid-gas interface, and consequently, it creates thermal and solutal gradients. These homogeneities spread in the core solution and produce, eventually, a fluid flow. This convection can be due to the surface tension and/or buoyancy variations. Experimental works have shown that some coating thicknesses stemming from drying processes are correlated to the size of the convection cells in the fluid region. A thorough understanding of the physical phenomena responsible to fluid convection should contribute to improve the control of deposit quality.Based on numerical and experimental works, we have studied the onset of convection for three kinds of models for the drying process of a Polyisobutylene-Toluène solution: A pure thermal model which is valid for short times, a solutal model devoted to the simulation of long times, only, and a thermal/solutal coupled model which takes into account the heat and mass transfer over a long time period of the evaporation process. The transient nature of the evaporation problem raises the issue of how to define the onset of the convective flow from a diffusive solution. Indeed, this flow motion occurs from a seed which is a small perturbation of the transient diffusive solution. If the perturbation is too weak, the necessary time interval for a significant growing of its magnitude will be greater than the time scale of the transient regime: thus the solution will never be considered as convective. Consequently, the influence of the perturbation is fundamental. In previous numerical works, this perturbation was imposed at the initial state, often through a random spatial distribution applied to the velocity or temperature field. In the present contribution, we have adopted a physical model where the adiabatic lateral walls have been replaced by diathermal walls: The local thermal inhomogeneities create a very weak flow acting as a small disturbance for the transient diffusive solution.In this thesis, we have developed a numerical model to evaluate the thresholds between the diffusive solutions and the convective flows, for the thermal, solutal and thermal/solutal coupled models, for two- and three-dimensional approximations of the Polyisobutylene-Toluène liquid film. Space-time diagrams and convective cell reconstructions at the liquid-gas interface by a Voronoï algorithm allowed us to get a better understanding of the way the disturbances propagate from the lateral walls for finally giving rise to a convective flow in the core fluid
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Trouette, Benoît. "Instabilités de Rayleigh-Bénard-Marangoni, induites par l'évaporation, en régime transitoire : application aux solutions polymères." Paris 11, 2010. http://www.theses.fr/2010PA112298.
Full textAbstract:
Dans ce travail nous étudions numériquement le déclenchement d'instabilités thermo-solutales dans le cas du séchage d'une solution polymère. L'évaporation du solvant entraine une baisse de la température et de la concentration du solvant en surface. Ceci peut générer des instabilités thermo-convectives et solutales, induites par les variations de la masse volumique (poussée d'Archimède) et/ou de la tension superficielle (effet Marangoni). L'épaisseur du milieu ainsi que les gradients de température et de concentration évoluent au cours du séchage et il s'agit donc d'un problème transitoire. Deux modèles simplifiés sont mis en place, tenant respectivement compte des effets thermique et solutal. L'étude porte principalement sur trois points : la détermination du rôle respectif de chaque phénomène, le caractère transitoire du problème, et enfin l'influence de l'évolution de la viscosité de la solution avec la concentration au cours du séchage sur les seuils de transition entre les régimes conductif et convectifThis work aims to study numerically how instabilities are activated in the drying of solvent/polymer solution. Solvent evaporation induces both a cooling and a decrease in solvent concentration at the free surface. Consequently, density variations (buoyancy) and/or superficial tension variations (Marangoni effect) can generate convection into the bulk. Besides, since the temperature and concentration gradients but also the thickness of the solution evolve during the drying, we are dealing here with a full transient problem. For this purpose, two simplified models are established for thermal and solutal regimes respectively. This study mainly focuses on: the transient character of the problem, the role of each phenomenon (thermal/solutal), on one hand, and the impact of the evolution of the solvent mass fraction and by the way of the viscosity of the solution, on the other hand, on the instability thresholds and the flow structure
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Uguz, Kamuran Erdem. "Evaporative instability in binary mixtures." Thesis, Paris 11, 2012. http://www.theses.fr/2012PA112169/document.
Full textAbstract:
Cette étude concerne la physique des écoulements convectifs résultant d’une instabilité d’évaporation de fluides binaires. Ce problème a de nombreuses applications, l’enrobage par centrifugation, le dépôt de films, les caloducs, etc, pour lesquels le changement de phase et la convection jouent un rôle prépondérant dans la conception et la qualité des procédés. Le système physique étudié est un mélange liquide sous sa propre vapeur, confiné par deux plaques conductrices de chaleur et des bords latéraux isolants. Les plaques sont utilisées pour appliquer un gradient thermique. Aucun gradient de concentration n’est imposé au système. Ces gradients sont induits par les différentes vitesses d’évaporation des composés. Dans ce système, il est important de comprendre comment la dynamique des fluides et les transferts de masse et de chaleur entrent en compétition pour la formation de structures. Le principal objectif de ce travail est d’identifier les conditions pour que le système évolue d’un état conductif vers un état de convection lorsque le gradient vertical de température dépasse une certaine valeur critique.Dans le système, la convection s’installe par trois mécanismes distincts : évaporation, gradients de densité et gradients de tension interfaciale. Trois forces convectives s’opposent aux effets de diffusion qui tendent à garder le système en état conductif. Le seuil d’apparition de la convection dépend de quelques variables, comme les dimensions du contenant, les propriétés thermophysiques des phases liquide et vapeur, la fraction massique, et les caractéristiques de perturbations. L’effet de chacune de ces variables sur le seuil est étudié en présence ou non de gravité.Pour représenter la physique, un modèle mathématique non linéaire complet est développé, basé sur les conservations de quantité de mouvement, d’énergie et de masse dans chaque phase avec les conditions aux limites appropriées. Le fluide binaire est composé de deux alcools légers comme l’éthanol et le sec-butanol. Dans les équations du modèle, la masse volumique ainsi que la tension interfaciale sont fonctions à le fois de la température et de la concentration. Pour la recherche du seuil de transition, les équations sont linéarisées autour d’un état de base connu. Dans notre cas, il s’agit de l’état conductif. Le système d’équations linéaires résultant est résolu par une méthode de collocation spectrale Chebyshev.Nous obtenons quatre résultats principaux. Premièrement, dans un système multi-composants sans gravitation, une instabilité n’apparaît que lorsque le système est chauffé du côté de la phase vapeur contrairement à un système mono-composant. Cela implique que, si on souhaite éviter les instabilités, il vaut mieux un apport de chaleur par la phase liquide en cas de processus d’évaporation en couches minces ou en micro-gravité.Deuxièmement, en présence de gravité, un système multi-composants peut devenir instable quelle que soit la direction du chauffage. Si la convection thermique est négligeable, alors nous montrons que le chauffage par la phase vapeur est la configuration la plus instable. Sinon, les deux modes de chauffage sont à même de produire une instabilité. Ce résultat implique que le gradient thermique appliqué doit être inférieur à une valeur seuil pour éviter les instabilités quelle que soit la direction du chauffage.Troisièmement, lorsque l’instabilité apparaît en absence de gravité, des structures n’apparaitront pas dans le cas de fluide pur mais apparaitront dans le cas d’un fluide multi-composants. De même, des structures apparaitront en présence de gravité en fonction du facteur d’aspect du confinement. Les facteurs d’aspect peuvent être choisis pour éviter des structures multi-cellulaires même en cas d’apparition d’instabilités durant l’évaporation.Enfin, des structures oscillantes ne sont pas prédites de façon générale malgré les effets opposés des convections solutale et thermique dans le problème d’évaporationThis study focuses on understanding the physics of the convective flow resulting from evaporative instability in binary mixtures. This problem has wide applications in spin coating, film deposition, heat pipes, etc. where phase change and convection play a very important role in the design process and also final quality of the product. The physical system of interest consists of a liquid mixture underlying its own vapor sandwiched between two conducting plates with insulated sidewalls in a closed container. The conducting plates are used to apply a vertical temperature gradient while there is no applied concentration gradient in the system. Concentration gradients are induced by the different evaporation rate of the components. In this system it is important to understand how the fluid dynamics and the heat and mass transfer interact competitively to form patterns. The main goal of this work is to identify the conditions for the system going from the conductive no-flow state to a convection state when the applied vertical temperature gradient exceeds a certain value called the critical value.In the system convection arises due to three distinct phenomena; evaporation, density gradients, and interfacial tension gradients. These convective forces are opposed by the diffusion effects that try to keep the system in the conductive no-flow state. The onset point depends upon several variables such as the dimensions of the container, thermo-physical properties of both liquid and vapor phases, mass fraction, and the characteristic of the disturbance given to the system. The effects of each of these variables on the onset point are investigated both in the presence and in the absence of gravity. To represent the physics a complete non-linear mathematical model is developed including momentum, energy, and mass balances in both phases with appropriate boundary conditions. The binary mixture is assumed to be made up of two low weight alcohols such as ethanol and sec-butanol. In the modeling equations the density and the interfacial tension are taken to be function of both temperature and concentration. To identify the onset point the non-linear equations are linearized around a known base state. In this case the base state is the conductive no-flow state. The resulting set of linear equations is solved using a spectral Chebyshev collocation method. Four major results arise from this work. First, in a multi-component system in the absence of gravity, an instability arises only when the system is heated from the vapor side as opposed to evaporation in a single-component. The implication is that evaporative processes in thin layers or in micro-gravity are best conducted with heat from the liquid side if instabilities are to be avoided.Second, in the presence of gravity, a multi-component system may become unstable no matter the direction of heating. If thermal buoyancy is negligible then it is shown in this study that heating from the vapor side is the unstable arrangement. Otherwise either heating style can produce an instability. This result means that the applied temperature difference must be kept below a threshold in order to avoid flow instabilities no matter the heating direction.Third, whenever instability occurs in the absence of gravity, patterns will not result in the case of a pure component but may result in the case of multi-components. Likewise, patterns will result when gravity is taken into account provided the aspect ratio of the container lies in a suitable range. As a result, aspect ratios can be chosen to avoid multi-cellular patterns even if convective flow instabilities arise during evaporation.Lastly, oscillations are not ordinarily predicted despite opposing effects of solutaland thermal convection in the evaporation problem
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Rakotoarison, Sylvain. "Effets du champ magnétique sur la solidification d'alliages : texturation, blocage de la convection de Marangoni et séparation par force magnétique." Université Joseph Fourier (Grenoble), 1995. http://www.theses.fr/1995GRE10205.
Full textAbstract:
L'utilisation du champ magnetique lors de la solidification d'alliages est un procede d'elaboration developpe au sein de notre laboratoire afin d'obtenir une meilleure microstructure. Le champ homogene oriente le nickel selon sa direction de facile aimantation grace a son anisotropie magnetocristalline. Le champ renforce l'effet d'orientation du gradient thermique et reduit la convection, ce qui ameliore la qualite cristalline et permet une elaboration plus rapide et mieux controlee de monocristaux textures. Nous comparons les effets lies au gradient thermique avec ceux provenant du champ, en etudiant differentes configurations geometriques (champ parallele ou perpendiculaire au gradient thermique). L'effet du champ sur l'orientation dendritique domine l'effet thermique jusqu'a un gradient thermique seuil. Les trempes en creuset froid inductif simulent les soudures lorsqu'une force magnetique est appliquee vers la paroi froide. A partir d'un champ de 1,5 tesla, l'agitation thermique du metal liquide est considerablement attenuee en le stabilisant dans le creuset. En outre, la reduction de la convection s'applique dans tout le lingot, ce qui encourage la formation de grains plus gros. Le champ magnetique bloque aussi la convection de marangoni ; il modifie de facon remarquable la structure cristalline de la zone de derniere solidification. De plus, en elaborant des aciers inoxydables austenitiques (fer-chrome-nickel) et des inconels (nickel-chrome), nous montrons que la force magnetique permet une structure de grains plus fine, plus allongee et plus homogene par un renforcement des echanges thermiques avec le creuset froid. Enfin, il est possible d'agir sur la repartition des impuretes. Nous accelerons la decantation des particules de tin contenues dans l'inox grace a la force magnetique. L'influence de celle-ci est egalement constatee sur le mouvement des particules de cr#2o#3 dans l'inconel fondu. Le champ magnetique permet aussi la floculation d'inclusions de sulfure de manganese dans l'inox.
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Bergeon, Alain. "Instabilités de Marangoni-Bénard en présence d'effet Soret." Ecully, Ecole centrale de Lyon, 1995. http://www.theses.fr/1995ECDL0023.
Full textAbstract:
La prediction et la maitrise des instabilites hydrodynamiques constituent un enjeu important dans bon nombre de processus d'elaboration de materiaux a partir d'un bain fondu, car ces instabilites viennent souvent perturber la qualite du materiau produit. Le travail theorique et numerique presente dans cette these porte sur l'instabilite de marangoni-benard dans les melanges binaires sujets a l'effet soret. Ce type d'instabilite est susceptible d'apparaitre lorsqu'une couche de fluide differentiellement chauffee presente une surface libre, siege d'une tension de surface dependant de la temperature et de la concentration. Les fluctuations naturelles de temperature ou de concentration le long de l'interface donnent naissance a des gradients de tension de surface. Ceux-ci generent des forces de surface capables lorsque les processus de dissipation visqueuse et de diffusion sont insuffisants pour endiguer le mouvement, de conduire a la formation d'un ensemble de cellules de convection. Les resultats presentes portent sur les seuils d'apparition de cette instabilite et l'evolution des structures convectives qui en resultent dans des configurations bi- et tri-dimensionnelles de cavites parallelepipediques en l'absence de gravite. Dans ce cadre est d'abord presentee l'analyse lineaire de stabilite de la solution conductive. Celle-ci est conduite analytiquement pour des cavites d'extension horizontale infinie et numeriquement pour des cavites confinees. L'analyse non-lineaire donnant la selection des structures d'ecoulement au dela du seuil est conduite numeriquement et a necessite le developpement d'une methode adaptee dite de continuation. Les resultats se presentent sous la forme de diagrammes de bifurcation qui sont des cartes d'evolution des solutions physiques et mathematiques du systeme avec l'un des parametres adimensionnalises. Ces diagrammes ont donne de nombreuses informations sur la dynamique de notre systeme permettant en outre d'expliquer la disparition ou au contraire la stabilisation de certaines solutionsThe prediction and control of hydrodynamic instabilities are important for material processing from a melt, as these instabilities often perturb the quality of the material. The theoretical and numerical work presented in this thesis deal with the Marangoni-Bénard instability in binary mixtures with Soret effect. This type of instability is obtained when a fluid layer differentially heated presents a free surface subjected to surface tension depending on temperature and concentration. The natural fluctuations of temperature and concentration along the interface give surface tension gradients. These gradients generate surface forces which can lead, if viscous dissipation and diffusion are unable to damp the motion, to the formation of convective cells. The results concern the onset of this instability and the evolution of the convective structures which are created in two- and three- dimensional parallelepipedic cavities without gravity. First, the linear stability analysis of the conductive solution is presented. This analysis is performed analytically for laterally unbounded cavities and numerically for confined cavities. The nonlinear analysis giving the selection of flow structures beyond the thresholds is performed numerically with the use of a continuation method which has been developed specifically. The results are presented under the form of bifurcation diagrams which are maps of evolution of the physical and mathematical solutions of the system with regard to the variation of one of the characteristic parameters. These diagrams have given many informations on the dynamic of our system allowing for example to explain the disparition or the stabilisation of some of the solutions
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Semenov, Sergey. "Computer simulations of evaporation of sessile liquid droplets on solid substrates." Thesis, Loughborough University, 2012. https://dspace.lboro.ac.uk/2134/10277.
Full textAbstract:
Present work is focused on the numerical study of evaporation of sessile liquid droplets on top of smooth solid substrates. The process of evaporation of a sessile liquid droplet has lots of different applications both in industry and research area. This process has been under study for many years, and still it is an actual problem, solution of which can give answers on some fundamental and practical questions. Instantaneous distribution of mass and heat fluxes inside and outside of an evaporating sessile droplet is studied in this research using computer simulations. The deduced dependences of instantaneous fluxes are applied for self-consistent calculations of time evolution of evaporating sessile droplets. The proposed theory of evaporating sessile droplets of liquid has been validated against available experimental data, and has shown a good agreement. Evaporation of surfactant solution droplets is studied experimentally. The theory, proposed for two stages of evaporation, fits experimental data well. An additional evaporation stage, specific for surfactant solutions, is observed and described. Mathematical modelling of this stage requires further research on surfactant adsorption and its influence on the value of receding contact angle. Numerical study of the evaporation of microdroplets is conducted in order to evaluate the significance of different evaporation mechanisms (diffusive and kinetic models of evaporation) and different physical phenomena (Kelvin s equation, latent heat of vaporization, thermal Marangoni convection, Stefan flow).
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Farmahini, Farahani Hamed. "Melting of Ice and Formation of Lateral Cavity during In Situ Burning in Ice-Infested Waters." Digital WPI, 2018. https://digitalcommons.wpi.edu/etd-dissertations/538.
Full textAbstract:
The ice melting and lateral cavity formation caused by in situ burning (ISB) of liquid fuels in ice-infested waters was studied in order to improve predictions on the removal efficiency of this oil spill mitigation method. For this purpose, several experimental studies were conducted to increase the fundamental understanding of the mechanisms that lead to ice melting and lateral cavity formation. The findings of the experimental studies provided the required knowledge to mathematically formulate the ice melting problem. Mathematical scaling analysis of ice melting during burning of oils in the vicinity of ice was performed to create a tool to estimate the extent of melting that occurs during ISB in ice-infested waters. A series of lab-scale experiments were designed to systematically investigate the ice melting problem. The first set of experiments were conducted in cylindrical shaped ice cavities with a 5.7 cm diameter. Burning of n-octane from ignition to natural extinction and the subsequent geometry change of the ice, fuel thickness, and fuel temperature were measured. The preliminary experimental observations showed that the melting of the ice walls was higher in areas where the fuel layer was in contact with ice compared with places of flame exposure. Based on these observations, a hypothesis that suggested the convective flows in the liquid fuel (driven mainly by surface tension and buoyancy) were contributing in melting of the ice was proposed to explain the origins of the lateral cavity. To evaluate this hypothesis, two dimensionless numbers (Marangoni and Rayleigh) were calculated as the indicators of the mechanisms of convection in the fuel layer. The comparison between the melting speed and these dimensionless numbers indicated surface tension driven flow was dominant while the role of buoyancy was negligible. In another set of experiments, Particle Image Velocimetry (PIV) was used to study the flow structure within the liquid-phase of n-octane pool fire bound on one side by an ice wall. Experiments were conducted in a square glass tray (9.6 cm × 9.6 cm × 5 cm) with a 3 cm thick ice wall placed on one side of the tray. Burning rate, flame height, and melting front velocity were measured to analyze the effect of heat feedback on melting of the ice. The melting rate of the ice increased from 0.6 cm/min for the first 50 seconds after ignition to 1 cm/min for the rest of burning period. Meanwhile, the measurement of the burning rates and flame heights showed two distinctive behaviors; a growth period from self-sustained ignition to the peak mass loss rate (first 50 seconds after ignition) followed by a steady phase from the peak of mass loss rate until the manual extinguishment. Similarly, the flow field measurements by a 2-dimensional PIV system indicated the existence of two different flow regimes. In the moments before ignition of the fuel, coupling of surface tension and buoyancy forces led to a combined one roll structure in the fuel. This was when a single large vortex was observed in the flow field. After ignition the flow field began transitioning toward an unstable flow regime (separated) with an increase in number of vortices around the ice wall. As the burning rate/flame height increased the velocity and evolving flow patterns enhanced the melting rate of the ice wall. Experimentally determined temperature contours showed that a hot zone with thickness of approximately 3 mm was present below the free surface, corresponding to the multi-roll location. The change in the flow field behavior was found to relate to the melting front velocity of ice. To further study the lateral cavity phenomena, a parametric experimental study on melting of ice adjacent to liquids exposed from above to various heat fluxes was conducted in order to understand the role of liquid properties in formation of cavities in ice. Multiple liquids with wide variety and range of thermophysical properties were used in order to identify the key influential properties on melting. The melting rate of the ice and penetration speed of the liquid in a transparent glass tray (70 mm × 70 mm × 45 mm) with a 20 mm thick ice wall (70 mm × 50 mm × 20 mm) was measured. The melting front velocities obtained from experiments were then compared to surface flow velocities of liquids obtained through a scaling analysis of the surface flow to elucidate the influence of the various thermophysical properties of the liquids on ice melting. The surface velocity of the liquids correlated well to the melting front velocities of the ice which showed a clear relationship between the flow velocity and melting front velocity. As the final step of this work, to extend the findings of the experimental studies conducted herein to larger sizes comparable to realistic situations in the Arctic, an order of magnitude scaling analysis was performed to obtain the extent of ice melting. The scaling considered the heat feedback from the flame to fuel surface, the convective heat transfers toward the ice, and the melting energy continuity of ice. The existing experimental data on the size of lateral cavity were also collected and were correlated to the results of the scaling analysis using a nonlinear regression fitting technique. The mathematical correlation that was obtained by the scaling analysis can be used to predict the size of the lateral cavity for a given fuel, pool fire diameter, and burning time. This correlation will provide a predictive tool to estimate the size of a potential lateral cavity formed during ISB of a given spill scenario. In general, the ability to predict the ice melting caused by burning of spilled oil in ice-infested waters is of great practical importance for assessment of the response outcome. This would assist with quantifying the geometry change of the burning medium which in turn will define oil burning rate and extinction condition. Knowledge of burning behavior and extinction condition indicate the burned volume which can directly be used to define the removal effectiveness of ISB. Nevertheless, this analysis was conducted on a generic interaction of oil and ice and the specific details that are observed in actual application of ISB in ice-infested waters were neglected for simplicity. Extending the outcome of this study to more specific (scenario-based) oil-in-ice situation and improving the predictability of the melting correlation with large-scale experiments are the next steps to develop this work.
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Bammou, Lahcen. "Instabilité thermoconvective d'un écoulement Poiseuille-Rayleigh-Bénard-Marangoni en canal ouvert à surface libre." Thesis, Pau, 2012. http://www.theses.fr/2012PAUU3030/document.
Full textAbstract:
Plusieurs études tant numériques qu’expérimentales font état de la présence d’instabilités thermiques dans des films liquides chauffés uniformément par le bas pour des conditions aux limites et d’écoulements particuliers. La présence de ces instabilités modifiera les transferts thermiques associés. Le sujet de ce travail de thèse consiste à étudier numériquement les instabilités thermoconvectives d’un écoulement laminaire tridimensionnel de convection mixte dans un canal horizontal à surface libre. Les variations de la tension de surface avec la température (effet Marangoni ou effet thermocapillaire) sont prises en compte. Bien que d’un intérêt certain pour de nombreuses applications industrielles, cette situation a été très peu étudiée d’un point de vue académique dans la configuration considérée ici. Dans cette de configuration plusieurs types de structures thermoconvectives sont susceptibles d’apparaître. Lorsque les forces induites par les courants de convection naturelle, forcée et thermocapillaire sont du même ordre de grandeur, les premiers résultats montrent un développement des instabilités sous forme de rouleaux convectifs longitudinaux stationnaires semblables à ceux rencontrés pour des écoulements de type Poiseuille-Rayleigh-Bénard. A notre connaissance, c’est la première fois que l’écoulement de convection de type Poiseuille-Rayleigh-Bénard associé aux effets Marangoni est étudié. Le nombre et la distribution spatiale des rouleaux convectifs le long du canal dépendent des conditions de l’écoulement. Nous proposons une étude numérique pour ces conditions particulières d’écoulement pouvant conduire à des instabilités avec une évaluation de leur effet sur les transferts de chaleur. Les équations de Navier-Stokes et de l’énergie sont résolues numériquement par la méthode de volumes finis en prenant en compte les effets thermocapillaires. Les résultats présentés concernent l’influence des paramètres contrôlant l’écoulement (nombres de Reynolds, de Rayleigh, de Biot, de Marangoni et le rapport de forme) sur les motifs de l’écoulement et les échanges thermiques. Dans une seconde partie du travail, complémentaire à la première, une analyse de stabilité linéaire de l’écoulement dans un canal ouvert à surface libre d’extension latérale infinie est réalisée en utilisant la méthode spectrale de type collocation Chebyshev pour résoudre un système aux valeurs propres. Les diagrammes de stabilité déterminant les seuils des paramètres conduisant à l’instabilité thermoconvective ont été obtenus et analysés, ainsi que les structures spatiales associéesSeveral studies both numerical and experimental have reported the presence of thermal instabilities in liquid films uniformly heated from below for specific boundary conditions and flows. The presence of these instabilities modifies the associated heat transfer. The subject of this PhD thesis is to study numerically the instability of three-dimensional laminar mixed convection within a liquid flowing on a horizontal channel heated uniformly from below. The upper surface is free and assumed to be flat. The variations of the surface tension with the temperature (Marangoni effect or thermocapillary effect) are taken into account. Although of great interest for many industrial applications, this problem has received little attention from an academic point of view. In this configuration, several types of thermoconvective structures may appear. When the strength of the buoyancy, thermocapillary effects and forced convective currents are comparable, the results show the development of instabilities in the form of steady longitudinal convective rolls similar to those encountered in the Poiseuille-Rayleigh-Bénard flow. To our knowledge, this is the first time that the Poiseuille-Rayleigh-Bénard flow associated to the Marangoni effects has been investigated. The number and spatial distribution of the convective rolls along the channel depend on the flow conditions. We propose a numerical study on the flow conditions that could lead to thermal instabilities with an evaluation of their effect on the heat transfer. The coupled Navier-Stokes and energy equations are solved numerically by the finite volume method taking into account the thermocapillary effects. The results presented concern the influence of several control parameters (the Reynolds, Rayleigh, Biot and Marangoni numbers and the aspect ratio of the channel) on the flow patterns and heat transfer characteristics. In the second part of this work, complimentary to the first, a linear stability analysis of a horizontal liquid film flowing in an open channel, with infinite lateral extension and uniform heating from below, is carried out. An eigenvalue problem is obtained in the course of this analysis which is solved numerically using the Chebyshev collocation spectral method. The stability diagrams determining the threshold parameters leading to thermoconvective instabilities were obtained and analyzed as well as the associated spatial patterns
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Köllner, Thomas [Verfasser], Thomas [Akademischer Betreuer] Boeck, Christian [Akademischer Betreuer] Karcher, and Michael [Akademischer Betreuer] Bestehorn. "Simulations of solutal Marangoni convection in two liquid layers : complex and transient patterns / Thomas Köllner. Betreuer: Thomas Boeck. Gutachter: Christian Karcher ; Michael Bestehorn." Ilmenau : Universitätsbibliothek Ilmenau, 2016. http://d-nb.info/1096221063/34.
Full text
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Trouette, Benoît. "Instabilités de Rayleigh-Bénard-Marangoni, induites par évaporation, en régime transitoire. Applicatons aux solutions polymères." Phd thesis, Université Paris Sud - Paris XI, 2010. http://tel.archives-ouvertes.fr/tel-00598835.
Full textAbstract:
Dans ce travail nous étudions numériquement le déclenchement d'instabilités thermo-solutales dans le cas du séchage d'une solution polymère. L'évaporation du solvant entraine une baisse de la température et de la concentration du solvant en surface. Ceci peut générer des instabilités thermo-convectives et solutales, induites par les variations de la masse volumique (poussée d'Archimède) et/ou de la tension super ficielle (eff et Marangoni). L'épaisseur du milieu ainsi que les gradients de température et de concentration évoluent au cours du séchage et il s'agit donc d'un problème transitoire. Deux modèles simplifiés sont mis en place, tenant respectivement compte des e ffets thermique et solutal. L'étude porte principalement sur trois points : la détermination du rôle respectif de chaque phénomène, le caractère transitoire du problème, et enfi n l'influence de l'évolution de la viscosité de la solution avec la concentration au cours du séchage sur les seuils de transition entre les régimes conductif et convectif.
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Zhao, Sicheng. "Interactive dynamics of fluid flow and metallic alloys solidification." Thesis, Aix-Marseille 3, 2011. http://www.theses.fr/2011AIX30010.
Full textAbstract:
Nous avons étudié les phénomènes convectifs et leur interaction dynamique avec la formation des microstructures pendant la solidification dirigée d’alliages étalliquesbinaires.La méthode post-mortem a été utilisée d’abord pour étudier la Transition olonnaire-Equiaxe pendant la solidification dirigée d’échantillons cylindriques d’Al-3,5wt%Ni non affiné sous la Technique de Rotation Accélérée de Creuset. La simulation numérique a été éffectuée et acquérie les résultats en concordance avec les manipulations.La technique in-situ a été appliquée pour comprendre l’évolution en fonction de temps des grains pendant solidification d’Al-4wt%Cu. La caractéstiques tatistiques des grains ont été discutées.La convection d’instabilité déclenchée par la poussée ou la tension superfaciale sous les gradients thermiques verticale et horizontale dans un système de double couches liquide-zone poreuse ont réspectivement étudié par analysis d’instabilité linéaire.L’inhomogénéité de la perméabilité de zone pateuse dendritique a été tenue en compte afin de comprendre son influence sur le début de convection pendant la solidification dirigée d’Al-3,5wt%LiWe studied the convective phenomena and their dynamical interaction with the formation of the microstructurs during directional solidification of binary metallic alloys.The post-mortem method was used first to study the Columnar-Equiaxed-Transition during the directional solidification of unrefined Al-3.5wt%Ni in cylindric samples under the Accelerated Crucible Rotation Technique. The numerical imulation was carried out and achieved the results in agreement with experiments.The in-situ technique was applied to understand the evolution of equiaxed grains during solidification of Al-4wt%Cu in function of time. The statistical characteristics of equiaxed grains were discussed.The buoyancy-driven and surface-tension-driven instability convection under vertical and horizontal thermal gradients in a liquid-porous double-layered system were respectively investigated through linear instability analysis.The inhomogeneity of the dendritic mush permeability was taken into account in order to understand its influence on the triggering of convection during the directional solidification of Al-3.5wt%Li
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Gedvilas, Mindaugas. "Self-organization in thin metal films under laser irradiation." Doctoral thesis, Lithuanian Academic Libraries Network (LABT), 2011. http://vddb.laba.lt/obj/LT-eLABa-0001:E.02~2011~D_20111122_102641-53693.
Full textAbstract:
The aim of this PhD thesis is to find out mechanisms of the ripple initiation and formation in the chromium thin film on the glass substrate. To learn to control the ripple formation and to apply it for fabrication of diffraction gratings. In this thesis, the experimental and theoretical results of new self-organization effect of the metal thin film on the glass substrate under irradiation with a sequence of partially overlapping laser pulses are presented. The method for formation of the regular ripples and results on investigation of diffractive properties of the self-organized gratings is presented. Different types of metals are used in experiments in order to understand the reasons of regular structure formation in chromium film. A diverse behavior of the films under laser irradiation is observed depending on the metal when burst of partially overlapping pulses was applied. Experimental data is compared with simulations based on different physical phenomena in order to develop and confirm a model of ripple formation in thin chromium film under its irradiation with pulses of a nanosecond laser. The Plateau-Rayleigh instability of the cylindrical ridge formation during laser ablation appears to be the most probable process responsible for initiation of the ripple formation. The Marangoni convection of the molten metal from hot areas to cold is the stabilizing process of steady ripple formation.Disertacijos darbo tikslas yra suprasti pagrindinius fizikinius mechanizmus, lemiančius raibulių susidarymą. Išmokti kontroliuoti raibulių formavimąsi. Panaudoti raibulių formavimąsi difrakcinių gardeliu gamybai. Rasti sąlygas, kada raibulių formavimosi galima išvengti, siekiant sumažinti kodinės stiklinės liniuotės periodą. Ištirti galimą raibulių formavimąsi skirtingų metalų dangose. Šioje daktaro disertacijoje pristatomi eksperimentiniai ir teoriniai rezultatai naujo savi-organizacijos reiškinio metalo dangos ant stiklo padėklo nanosekundinio lazerio į juostą sufokusuoto pluošto spinduliuotės poveikyje. Pristatomas naujas difrakcinių gardelių formavimo metodas panaudojant metalo savitvarką. Siekiant suprasti kas inicijuoja raibulių formavimąsi ir ar jis įmanomas visiems metalams, dangos apdribimas persiklojančiais lazerio impulsais aštriai į juostą sufokusuotu lazerio pluoštu išbandytas skirtingiems metalams. Skirtingas dangos elgesys stebimas kiekvienam metalui. Nagrinėjami pagrindiniai fizikiniai mechanizmai sukeliantys griežtai periodinių raibulių formavimąsi. Parodoma, kad raibulių formavimosi pradžia atsiranda dėl Plato-Reilio nestabilumo cilindrinės užvartos susidarymo metu. Taip pat parodoma, kad Marangoni konvekcija skystame metale yra pagrindinė jėga, lemianti nusistovėjusį periodinių raibulių formavimąsi.
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Gedvilas, Mindaugas. "Plonų metalų sluoksnių savitvarkos lazerio spinduliuotės poveikyje tyrimas ir modeliavimas." Doctoral thesis, Lithuanian Academic Libraries Network (LABT), 2011. http://vddb.laba.lt/obj/LT-eLABa-0001:E.02~2011~D_20111122_102749-17404.
Full textAbstract:
Disertacijos darbo tikslas yra suprasti pagrindinius fizikinius mechanizmus, lemiančius raibulių susidarymą. Išmokti kontroliuoti raibulių formavimąsi. Panaudoti raibulių formavimąsi difrakcinių gardeliu gamybai. Rasti sąlygas, kada raibulių formavimosi galima išvengti, siekiant sumažinti kodinės stiklinės liniuotės periodą. Ištirti galimą raibulių formavimąsi skirtingų metalų dangose. Šioje daktaro disertacijoje pristatomi eksperimentiniai ir teoriniai rezultatai naujo savi-organizacijos reiškinio metalo dangos ant stiklo padėklo nanosekundinio lazerio į juostą sufokusuoto pluošto spinduliuotės poveikyje. Pristatomas naujas difrakcinių gardelių formavimo metodas panaudojant metalo savitvarką. Siekiant suprasti kas inicijuoja raibulių formavimąsi ir ar jis įmanomas visiems metalams, dangos apdribimas persiklojančiais lazerio impulsais aštriai į juostą sufokusuotu lazerio pluoštu išbandytas skirtingiems metalams. Skirtingas dangos elgesys stebimas kiekvienam metalui. Nagrinėjami pagrindiniai fizikiniai mechanizmai sukeliantys griežtai periodinių raibulių formavimąsi. Parodoma, kad raibulių formavimosi pradžia atsiranda dėl Plato-Reilio nestabilumo cilindrinės užvartos susidarymo metu. Taip pat parodoma, kad Marangoni konvekcija skystame metale yra pagrindinė jėga, lemianti nusistovėjusį periodinių raibulių formavimąsi.The aim of this PhD thesis is to find out mechanisms of the ripple initiation and formation in the chromium thin film on the glass substrate. To learn to control the ripple formation and to apply it for fabrication of diffraction gratings. In this thesis, the experimental and theoretical results of new self-organization effect of the metal thin film on the glass substrate under irradiation with a sequence of partially overlapping laser pulses are presented. The method for formation of the regular ripples and results on investigation of diffractive properties of the self-organized gratings is presented. Different types of metals are used in experiments in order to understand the reasons of regular structure formation in chromium film. A diverse behavior of the films under laser irradiation is observed depending on the metal when burst of partially overlapping pulses was applied. Experimental data is compared with simulations based on different physical phenomena in order to develop and confirm a model of ripple formation in thin chromium film under its irradiation with pulses of a nanosecond laser. The Plateau-Rayleigh instability of the cylindrical ridge formation during laser ablation appears to be the most probable process responsible for initiation of the ripple formation. The Marangoni convection of the molten metal from hot areas to cold is the stabilizing process of steady ripple formation.
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Brüggmann, Christian. "Ein Beitrag zur Verschlackung von MgO in sekundärmetallurgischen Schlacken." Doctoral thesis, Technische Universitaet Bergakademie Freiberg Universitaetsbibliothek "Georgius Agricola", 2012. http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bsz:105-qucosa-84295.
Full textAbstract:
Die vorliegende Arbeit behandelt Aspekte der Verschlackung von MgO in sekundärmetall-urgischen Schlacken. Mittels FactSage© wird eine Berechnung der Löslichkeit von MgO in Kalksilikat- und Kalkaluminatschlacke bei 1600, 1650 und 1700°C durchgeführt. Die Ergebnisse werden leicht handhab- und ablesbar dargestellt. Die Verschlackung eines porösen MgO-Probekörpers in einer an MgO ungesättigten und an MgO gesättigten Kalkaluminat-schlacke wird bei 1600°C thermogravimetrisch verfolgt. Der Verschlackungsvorgang wird maßgeblich durch die Mechanismen der Teilchendesintegration und Ostwald-Reifung in der infiltrierten Mikrostruktur beeinflusst. Das komplexe Zusammenspiel von Zerfall und Auflösung wird nach einem Modell von W. Gans an feuerfestes Material (MgO) angepasst und modelliert. Der Einfluss von Teilchendesintegration und Ostwald-Reifung auf den voreilenden Verschleiß im 3-Phasenkontakt (Marangoni-Konvektion) wird quantifiziert. Ferner wird ein einfaches Modell zur Abschätzung des voreilenden Verschleißes dargelegt.
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Wasekar, Vivek Mahadeorao. "Nucleate Pool Boiling Heat Transfer in Aqueous Surfactant Solutions." University of Cincinnati / OhioLINK, 2001. http://rave.ohiolink.edu/etdc/view?acc_num=ucin994964318.
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Tadrous, Ebram [Verfasser], Günter [Akademischer Betreuer] Wozniak, Günter [Gutachter] Wozniak, and Janusz A. [Gutachter] Szymczyk. "Experimental investigation of the transition of Marangoni convection around a stationary gas bubble towards turbulent flow / Ebram Tadrous ; Gutachter: Günter Wozniak, Janusz A. Szymczyk ; Betreuer: Günter Wozniak." Chemnitz : Universitätsverlag Chemnitz, 2021. http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bsz:ch1-qucosa2-749938.
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Nogol, Petr. "Svařování oceli technologií PATIG." Master's thesis, Vysoké učení technické v Brně. Fakulta strojního inženýrství, 2012. http://www.nusl.cz/ntk/nusl-229999.
Full textAbstract:
The effect of activating flux PATIG on welding arc was investigate in master thesis, A-TIG welding with flux PATIG. The test was performed on six materials with different chemical and mechanical properties. TIG and A-TIG welding was carried out after application flux. Performed require layer of PATIG flux was quite difficult. Result was compared between conventional TIG and experimental A-TIG method of welding. The best reached goals were for high-alloy steels. Typical and 3times deeper penetration was reached for A-TIG compared to conventional TIG welding.
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Kalaikadal, Deepak Saagar. "Investigation of Bubble Dynamics in Pure Liquids and Aqueous Surfactant / Polymer Solutions Under Adiabatic and Diabatic Conditions." University of Cincinnati / OhioLINK, 2018. http://rave.ohiolink.edu/etdc/view?acc_num=ucin1525167893347615.
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Upadhyay, Supriya Ramashankar. "Spurious Grain Formation During Directional Solidification in Microgravity." Cleveland State University / OhioLINK, 2018. http://rave.ohiolink.edu/etdc/view?acc_num=csu1527780881822168.
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Rozé, Claude. "Etude des oscillations créées par un fil chaud placé juste au-dessous de la surface libre d'un liquide." Rouen, 1989. http://www.theses.fr/1989ROUES045.
Full textAbstract:
Les oscillations créées par un fil chaud (20 microns) placé juste au-dessous de la surface libre d'un liquide sont décrites. Les différences de température (fil-liquide) nécessaires à leur apparition, ainsi que la fréquence et la longueur d'onde auxquelles elles apparaissent sont mesurées en fonction de la distance fil-interface. Une exploration du domaine instable est également effectuée. De nombreux liquides ont été testés. Seules les mesures relatives à une huile de silicone et au pentanol ont été retenues. Une analyse linéaire de stabilité est menée dans le cas d'une couche liquide horizontale d'extension infinie et en imposant un gradient de température et un cisaillement. Un modèle simple est développé et permet de comprendre l'expérience du fil chaud et les oscillations de la lentille thermique qui met en jeu les mêmes phénomènes: tension superficielle et flottabilité
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Qin, Tongran. "Buoyancy-thermocapillary convection of volatile fluids in confined and sealed geometries." Diss., Georgia Institute of Technology, 2016. http://hdl.handle.net/1853/54939.
Full textAbstract:
Convection in a layer of fluid with a free surface due to a combination of thermocapillary stresses and buoyancy is a classic problem of fluid mechanics. It has attracted increasing attentions recently due to its relevance for two-phase cooling. Many of the modern thermal management technologies exploit the large latent heats associated with phase change at the interface of volatile liquids, allowing compact devices to handle very high heat fluxes. To enhance phase change, such cooling devices usually employ a sealed cavity from which almost all noncondensable gases, such as air, have been evacuated. Heating one end of the cavity, and cooling the other, establishes a horizontal temperature gradient that drives the flow of the coolant. Although such flows have been studied extensively at atmospheric conditions, our fundamental understanding of the heat and mass transport for volatile fluids at reduced pressures remains limited. A comprehensive and quantitative numerical model of two-phase buoyancy-thermocapillary convection of confined volatile fluids subject to a horizontal temperature gradient has been developed, implemented, and validated against experiments as a part of this thesis research. Unlike previous simplified models used in the field, this new model incorporates a complete description of the momentum, mass, and heat transport in both the liquid and the gas phase, as well as phase change across the entire liquid-gas interface. Numerical simulations were used to improve our fundamental understanding of the importance of various physical effects (buoyancy, thermocapillary stresses, wetting properties of the liquid, etc.) on confined two-phase flows. In particular, the effect of noncondensables (air) was investigated by varying their average concentration from that corresponding to ambient conditions to zero, in which case the gas phase becomes a pure vapor. It was found that the composition of the gas phase has a crucial impact on heat and mass transport as well as on the flow stability. A simplified theoretical description of the flow and its stability was developed and used to explain many features of the numerical solutions and experimental observations that were not well understood previously. In particular, an analytical solution for the base return flow in the liquid layer was extended to the gas phase, justifying the previous ad-hoc assumption of the linear interfacial temperature profile. Linear stability analysis of this two-layer solution was also performed. It was found that as the concentration of noncondensables decreases, the instability responsible for the emergence of a convective pattern is delayed, which is mainly due to the enhancement of phase change. Finally, a simplified transport model was developed for heat pipes with wicks or microchannels that gives a closed-form analytical prediction for the heat transfer coefficient and the optimal size of the pores of the wick (or the width of the microchannels).
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Prasser, H. M., and Alexander Grahn. "Dissipative Strukturbildung bei exothermen Grenzflächenreaktionen." Forschungszentrum Dresden, 2010. http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bsz:d120-qucosa-30085.
Full textAbstract:
Der Bericht beschäftigt sich mit spontaner Grenzflächenkonvektion und -turbulenz beim Stoff- und Wärmeübergang an fluiden Phasengrenzen zwischen zwei nicht mischbaren Phasen. Solche Effekte sind von großer industrieller Bedeutung, da die erzielten Stoffübergangsraten um ein Vielfaches über den bei gewöhnlicher Diffusion auftretenden liegen. Zwei unterschiedliche Mechanismen sind der "Motor" für die Instabilitäten: Marangoni-Instabilität: Die Grenzflächenspannung ist eine Funktion der Temperatur und der Grenzflächenkonzentration des ausgetauschten Stoffes. Schwankungen der Temperatur und der Konzentration entlang der Phasengrenze führen folglich zu Grenzflächenspannungsgradienten. Grenzflächenspannungsgetriebene Instabilitäten äußern sich durch rollenförmige oder polygonale Konvektionszellen, Eruptionen oder Turbulenz an der Phasengrenze. Schwerkraftgetriebene Instabilität: Die Dichte ist ebenfalls eine Funktion der Temperatur und der Konzentration des gelösten Stoffes. Der Transport eines Stoffes über eine fluide Phasengrenze verändert die Zusammensetzung und die Dichte der angrenzenden Flüssigkeitsschichten, sodass instabile Dichteschichtungen auftreten können. Temperaturgradienten entstehen dabei durch Freisetzung von Reaktions- und/oder Lösungsenthalpie. Auftriebsbewegungen haben die Form von Thermiken (engl. plumes, thermals). Die Phänomene der Grenzflächenkonvektion werden in einer vertikalen Kapillarspaltgeometrie untersucht. Neben Stoffsystemen mit reaktivem Stoffübergang (Neutralisation von Karbonsäuren, Hydrolyse und Veresterung von Alkanoylhloriden) kamen auch solche mit reaktionsfreiem Stoffübergang (Karbonsäuren, Tensid) zur Anwendung. Die instabile Dichteschichtung, die durch den Konzentrationsgradienten infolge der Stoffdiffusion erzeugt wird, führt zu Auftriebskonvektion in Form von Thermiken. Die Anwesenheit einer exothermen Reaktion bewirkt eine Vergrößerung des Längenwachstums der Thermiken in der oberen Phase durch Aufprägung eines zusätzlich destabilisierenden Temperaturgradienten. In der unteren Phase kommt es dagegen zum Entstehen des doppeldiffusiven Fingerregimes bei Überlagerung des destabilisierenden Konzentrationsgradienten durch den stabilisierenden Temperaturgradienten. Beim Übergang eines Tensids konnten die für diese Stoffklasse charakteristischen Rollzellen, die durch Grenzflächenspannungsgradienten angetrieben werden, beobachtet werden. Diese Konvektionsstrukturen bleiben auf einen schmalen Bereich ober- und unterhalb der Phasengrenze beschränkt. Die Transportgleichungen für Impuls, Stoff und Wärme wurden in ihrer 2-dimensionalen Form in einen Rechenkode umgesetzt und der Übergang einer einzelnen Komponente simuliert. Die hydrodynamischen Bedingungen an der Phasengrenze wurden so formuliert, dass lokale Änderungen der Zusammensetzung und der Temperatur zu Grenzflächenspannungsgradienten führen und die Phasengrenze damit dem Marangonieffekt unterliegt. Die Stoffeigenschaften wurden mit Ausnahme der Dichte im Volumenkraftterm der Impulsgleichung als konstant angenommen, sodass dichtegetriebene Konvektionen simuliert werden können. Die verschiedenen Konvektionsformen werden durch die Simulation qualitativ gut wiedergegeben. Bei Marangonikonvektion kommt es zu einer Verschiebung des steilen Konzentrationsgradienten von der Phasengrenze in die Kerne der Phasen, was zum schnellen Absterben der Marangonikonvektion führt. Die Wiedergabe des Längenwachstums der Thermiken durch Simulation eines realen Stoffsystems ist zufriedenstellend. Ebenso gibt die Simulation eine realistische Abschätzung zu erwartender Stoffströme bei Anwesenheit hydrodynamischer Instabilitäten. Größere Abweichungen zwischen Simulation und Experiment sind jedoch bei der horizontalen Größenskala der Fingerstruktur festzustellen, die wahrscheinlich auf die Boussinesq-Approximation zurückzuführen sind.
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Prasser, H. M., and Alexander Grahn. "Dissipative Strukturbildung bei exothermen Grenzflächenreaktionen." Forschungszentrum Rossendorf, 2000. https://hzdr.qucosa.de/id/qucosa%3A21835.
Full textAbstract:
Der Bericht beschäftigt sich mit spontaner Grenzflächenkonvektion und -turbulenz beim Stoff- und Wärmeübergang an fluiden Phasengrenzen zwischen zwei nicht mischbaren Phasen. Solche Effekte sind von großer industrieller Bedeutung, da die erzielten Stoffübergangsraten um ein Vielfaches über den bei gewöhnlicher Diffusion auftretenden liegen. Zwei unterschiedliche Mechanismen sind der "Motor" für die Instabilitäten: Marangoni-Instabilität: Die Grenzflächenspannung ist eine Funktion der Temperatur und der Grenzflächenkonzentration des ausgetauschten Stoffes. Schwankungen der Temperatur und der Konzentration entlang der Phasengrenze führen folglich zu Grenzflächenspannungsgradienten. Grenzflächenspannungsgetriebene Instabilitäten äußern sich durch rollenförmige oder polygonale Konvektionszellen, Eruptionen oder Turbulenz an der Phasengrenze. Schwerkraftgetriebene Instabilität: Die Dichte ist ebenfalls eine Funktion der Temperatur und der Konzentration des gelösten Stoffes. Der Transport eines Stoffes über eine fluide Phasengrenze verändert die Zusammensetzung und die Dichte der angrenzenden Flüssigkeitsschichten, sodass instabile Dichteschichtungen auftreten können. Temperaturgradienten entstehen dabei durch Freisetzung von Reaktions- und/oder Lösungsenthalpie. Auftriebsbewegungen haben die Form von Thermiken (engl. plumes, thermals). Die Phänomene der Grenzflächenkonvektion werden in einer vertikalen Kapillarspaltgeometrie untersucht. Neben Stoffsystemen mit reaktivem Stoffübergang (Neutralisation von Karbonsäuren, Hydrolyse und Veresterung von Alkanoylhloriden) kamen auch solche mit reaktionsfreiem Stoffübergang (Karbonsäuren, Tensid) zur Anwendung. Die instabile Dichteschichtung, die durch den Konzentrationsgradienten infolge der Stoffdiffusion erzeugt wird, führt zu Auftriebskonvektion in Form von Thermiken. Die Anwesenheit einer exothermen Reaktion bewirkt eine Vergrößerung des Längenwachstums der Thermiken in der oberen Phase durch Aufprägung eines zusätzlich destabilisierenden Temperaturgradienten. In der unteren Phase kommt es dagegen zum Entstehen des doppeldiffusiven Fingerregimes bei Überlagerung des destabilisierenden Konzentrationsgradienten durch den stabilisierenden Temperaturgradienten. Beim Übergang eines Tensids konnten die für diese Stoffklasse charakteristischen Rollzellen, die durch Grenzflächenspannungsgradienten angetrieben werden, beobachtet werden. Diese Konvektionsstrukturen bleiben auf einen schmalen Bereich ober- und unterhalb der Phasengrenze beschränkt. Die Transportgleichungen für Impuls, Stoff und Wärme wurden in ihrer 2-dimensionalen Form in einen Rechenkode umgesetzt und der Übergang einer einzelnen Komponente simuliert. Die hydrodynamischen Bedingungen an der Phasengrenze wurden so formuliert, dass lokale Änderungen der Zusammensetzung und der Temperatur zu Grenzflächenspannungsgradienten führen und die Phasengrenze damit dem Marangonieffekt unterliegt. Die Stoffeigenschaften wurden mit Ausnahme der Dichte im Volumenkraftterm der Impulsgleichung als konstant angenommen, sodass dichtegetriebene Konvektionen simuliert werden können. Die verschiedenen Konvektionsformen werden durch die Simulation qualitativ gut wiedergegeben. Bei Marangonikonvektion kommt es zu einer Verschiebung des steilen Konzentrationsgradienten von der Phasengrenze in die Kerne der Phasen, was zum schnellen Absterben der Marangonikonvektion führt. Die Wiedergabe des Längenwachstums der Thermiken durch Simulation eines realen Stoffsystems ist zufriedenstellend. Ebenso gibt die Simulation eine realistische Abschätzung zu erwartender Stoffströme bei Anwesenheit hydrodynamischer Instabilitäten. Größere Abweichungen zwischen Simulation und Experiment sind jedoch bei der horizontalen Größenskala der Fingerstruktur festzustellen, die wahrscheinlich auf die Boussinesq-Approximation zurückzuführen sind.
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Maquet, Jean. "Contribution à l'étude des mécanismes de surstabilité d'une surface libre chauffée par un laser ou un fil chaud." Rouen, 1987. http://www.theses.fr/1987ROUES047.
Full textAbstract:
Simulation numérique de l'écoulement laminaire bidimensionnel créé par un fil chaud placé sous une surface libre. Le code de calcul inclut les convections naturelle et de Marangoni, les transferts de chaleur à l’interface ainsi que la viscosité interfaciale. Analyse linéaire de stabilité dans le cas d'une couche liquide horizontale d'extension infinie, limitée par une paroi rigide et une surface libre. Modélisation
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Berthier, Anne. "Analyse des phénomènes de transfert et couplages physico-chimiques lors de la transformation des métaux sous arc électrique." Nantes, 2009. http://www.theses.fr/2009NANT2056.
Full textAbstract:
Cette étude vise à comprendre et à identifier les mécanismes physico-chimiques dans le bain fondu et au voisinage de l'électrode mis en jeu lors des procédés de soudage TIG et A-TIG. L'inversion des mouvements de convection Marangoni dans le bain a été mise en evidence par des expériences relativement simples à mettre en oeuvre. La constriction de l'arc électrique au passage du soudage TIG à A-TIG a été étudiée par imagerie rapide. La température électronique de l'arc a été quantifiée par spectroscopie optique d'émission pour déterminer l'influence des flux activants sur celle-ci. L'influence de la vitesse, de la hauteur d'arc et de l'énergie de soudage sur la forme des cordons de soudure a été démontrée. L'effet de la granulométrie et du mode d'application des flux activants sur les caractéristiques géométriques des cordons de soudure a été présenté. Un flux dont l'effet activant est similaire au flux commercial a été réalisé tout en abaissant sa toxicité de 30%. Un modèle 2D axisymétrique avec une source de chaleur fixe et basé sur la méthode des éléments finis a été développé pour simuler les mouvements des fluides dans le bain fondu. Parallèlement, une étude expérimentale a validé les résultats obtenus avec le modèle. La déformation des tôles après soudage a aussi été étudiée en fonction du procédé de soudage, de la vitesse d'avance et de l'épaisseur des tôles. L'effet des paramètres de soudage sur les propriétés mécaniques du matériau après soudage a été démontré. L'application à l'acier inoxydable austénitique Super Duplex a permis de montrer l'évolution des propriétés microstructurales, mécaniques et de la résistance à la corrosion lors des procédés TIG et A-TIGOur work is based on the comprehension and the identification of physical and chemical mechanisms in the molten zone and near the cathode during TIG and A-TIG welding processes. The inversion of convection movements in the melting zone was determined by simple measurements. The electrical arc constriction while passing from TIG to A-TIG was studied using a high speed camera. The optical emission spectroscopy enabled us to quantify the electrical arc temperature and to determine the influence of the activating flux on it. The influence of the welding speed, the arc length and the welding energy on the geometry of the weld bead was demonstrated. The effect of the grain size or the type of deposition of the activating flux on the characteristics of the weld bead is presented. A new flux with similar activating effect than commercial flux but with reduced the toxicity (~30%) was created. A 2D axial symmetric model with a stationary heat source was to simulate the flow behaviour in the melting pool. These results are compared to experiments to validate the results obtained with the numerical model. The deformation of rectangular plates after welding was studied as a function of welding process, the welding speed and the thickness of the plates. The effect of welding parameters on the mechanical properties after welding was demonstrated. The application of the austenitic stainless steel Super Duplex enabled us to show the evolution of the micro structural and mechanical properties and corrosion tests during TIG and A-TIG welding processes
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Sen, Debamoy. "Coupled Field Modeling of Gas Tungsten Arc Welding." Diss., Virginia Tech, 2012. http://hdl.handle.net/10919/38820.
Full textAbstract:
Welding is used extensively in aerospace, automotive, chemical, manufacturing, electronic and power-generation industries. Thermally-induced residual stresses due to welding can significantly impair the performance and reliability of welded structures. Numerical simulation of weld pool dynamics is important as experimental measurements of velocities and temperature profiles are difficult due to the small size of the weld pool and the presence of the arc. From a structural integrity perspective of welded structures, it is necessary to have an accurate spatial and temporal thermal distribution in the welded structure before stress analysis is performed. Existing research on weld pool dynamics simulation has ignored the effect of fluid flow in the weld pool on the temperature field of the welded joint. Previous research has established that the weld pool depth/width (D/W) ratio and Heat Affected Zone (HAZ) are significantly altered by the weld pool dynamics. Hence, for a more accurate estimation of the thermally-induced stresses it is desired to incorporate the weld pool dynamics into the analysis. Moreover, the effects of microstructure evolution in the HAZ on the mechanical behavior of the structure need to be included in the analysis for better mechanical response prediction. In this study, a three-dimensional model for the thermo-mechanical analysis of Gas Tungsten Arc (GTA) welding of thin stainless steel butt-joint plates has been developed. The model incorporates the effects of thermal energy redistribution through weld pool dynamics into the structural behavior calculations. Through material modeling the effects of microstructure change/phase transformation are indirectly included in the model. The developed weld pool dynamics model includes the effects of current, arc length, and electrode angle on the heat flux and current density distributions. All the major weld pool driving forces are included, namely surface tension gradient, plasma drag force, electromagnetic force, and buoyancy. The weld D/W predictions are validated with experimental results. They agree well. The effects of welding parameters (like welding speed, current, arc length, etc.) on the weld D/W ratio are documented. The workpiece deformation and stress distributions are also highlighted. The transverse and longitudinal residual stress distribution plots across the weld bead and their variations with welding speed and current are also provided. The mathematical framework developed here serves as a robust tool for better prediction of weld D/W ratio and thermally-induced stress evolution and distribution in a welded structure by coupling the different fields in a welding process.Ph. D.
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Chu, Guifan. "Effet de surfactants sur le déplacement d'une grosse bulle dans un écoulement capillaire." Compiègne, 1991. http://www.theses.fr/1991COMPD376.
Full textAbstract:
La présence des molécules tensioactives dans le liquide ou circulent des bulles d'air modifie profondément l'hydrodynamique du système. Ces molécules vont s'adsorber à l'interface et sont convectées par l'écoulement. Elles s'accumulent donc à l'arrière du manchon. Ceci résulte en un gradient de tension de surface qui retarde le déplacement de la bulle. La perte de charge induite par la bulle augmente avec la vitesse de l'écoulement pour aboutir à un plateau; elle croît avec la concentration volumique en substances tensioactives et atteint une valeur maximale au niveau de la concentration micellaire critique (CMC), puis décroît rapidement lorsque la concentration dépasse la CMC. Pour un surfactant ionique à longue chaine, le processus de l'adsorption-désorption est très rapide à haute concentration, et l'interface se remet en mouvement. En tenant compte les phénomènes physicochimiques à l'interface, nous avons modélisé le problème sans chercher à le linéaliser autour de l'équilibre, et nous avons développé une théorie hydrodynamique et physicochimique de l'écoulement bouchon en utilisant une méthode de perturbation. Les prédictions du modèle s'accordent bien avec les mesures expérimentales, ce qui nous confirme nos hypothèses sur le comportement de l'interface.
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Arlabosse, Patricia. "Etude des transferts de chaleur et de masse par effet Marangoni : application à la compréhension du mécanisme de l'ébullition en apesanteur." Aix-Marseille 1, 1997. http://www.theses.fr/1997AIX11024.
Full textAbstract:
Ce memoire est consacre a l'etude de la convection thermocapillaire autour d'une bulle et a la contribution de cet effet aux transferts de chaleur. Apres une etude bibliographique sur le phenomene d'ebullition en gravite variable et sur les effets thermocapillaires, nous avons etudie l'effet marangoni autour d'une bulle d'air immergee dans une couche d'huile silicone chauffee par le haut. Nous avons developpe une double approche experimentale et numerique. L'approche experimentale a d'abord consiste en la mise en oeuvre d'un dispositif d'analyse des ecoulements et des transferts de chaleur induits par cet effet, dans une configuration ou les effets thermocapillaires et thermogravitationnels s'opposent. Ensuite, des lois d'ecoulement et d'echange de chaleur ont ete etablies. Dans cette geometrie, la contribution de cet effet aux transferts de chaleur est relativement faible pour la gamme des nombres de marangoni et de prandtl etudies. Un modele numerique base sur la methode des elements finis a ete developpe pour simuler les ecoulements induits par un gradient de tension superficielle sur une interface et determiner les lois de transferts. Ce modele est valide a l'aide des resultats experimentaux. Par cette approche, nous avons etudie l'influence du niveau de gravite sur l'ecoulement et les transferts de chaleur. En particulier, on met en evidence la formation d'un jet de liquide en gravite nulle alors que plusieurs cellules contrarotatives sont generees dans le liquide lorsque la gravite est non nulle. Enfin, des mesures preliminaires ont ete realisees dans le cas d'une bulle de vapeur generee a partir d'un site de nucleation sur la surface de chauffe.
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MacDonald, Brendan D. "The Onset of Marangoni Convection for Evaporating Liquids." Thesis, 2012. http://hdl.handle.net/1807/32756.
Full textAbstract:
The stability of evaporating liquids is examined. The geometries investigated are semi-infinite liquid sheets, bounded liquid sheets, sessile droplets, and funnels.
Stability parameters are generated to characterize the stability of evaporating semi-infinite liquid sheets, and bounded liquid sheets. The derivation is made possible by introducing evaporation as the specific heat transfer mechanism at the interface, and using the statistical rate theory expression for evaporation flux so there are no fitting parameters. It is demonstrated that a single parameter can be used to predict the onset criterion instead of two parameters.
A linear stability analysis is performed for spherical sessile droplets evaporating on substrates constructed of either insulating or conducting materials. A stability parameter is generated to characterize the stability of sessile droplets evaporating on insulating substrates and conducting substrates. The results indicate that spherical sessile droplets evaporating on insulating substrates are predicted to transition to Marangoni convection. Since there are currently no experimental results to compare the theory with, another analysis is performed for liquids evaporating from funnels, which can be compared with existing experimental observations.
A linear stability analysis predicts stable evaporation for funnels constructed of insulating materials, in contrast to the sessile droplet case, and generates a new stability parameter for funnels constructed of conducting materials. The stability parameter is free of fitting variables since the statistical rate theory expression for the evaporation flux is used. The theoretical predictions are found to be consistent with experimental observations for water evaporating from a funnel constructed of poly(methyl methacrylate) (PMMA) and for water and heavy water evaporating from a funnel constructed of stainless steel.
A parametric analysis is performed on the new stability parameter for liquids evaporating from funnels constructed of conducting materials, indicating that smaller interfacial temperature discontinuities, higher evaporation rates, and smaller radii correspond to less stable systems. It is also illustrated that calculations using statistical rate theory predict an instability, which is consistent with experimental observations, whereas using the Hertz-Knudsen theory does not predict any instability.
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Chen, Chiun Chieh, and 陳俊傑. "Onset of Stationary Benard-Marangoni Convection in Superposed." Thesis, 1993. http://ndltd.ncl.edu.tw/handle/49765194961705132303.
Full text
46
Limmaneevichitr, Chaowalit. "Flow visualization of Marangoni convection in simulated weld pools." 2000. http://www.library.wisc.edu/databases/connect/dissertations.html.
Full text
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Chiang, Ko-Ta, and 江可達. "Instability analysis of B\''enard-Marangoni convection in a fluid layer." Thesis, 1996. http://ndltd.ncl.edu.tw/handle/67841722644289338919.
Full text
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Guo, Shyh Shyan, and 郭士賢. "Rapid solidification and Marangoni Convection in a Droplet on a Substrate." Thesis, 1994. http://ndltd.ncl.edu.tw/handle/04169452264811868293.
Full text
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Fernando, Nilendri L. "The Effects of Marangoni Convection on the Rate of Condensation of Pure Water." Thesis, 2012. http://hdl.handle.net/1807/33720.
Full textAbstract:
A series of steady-state water condensation experiments were conducted to determine
the effects of Marangoni convection on the condensation flux. The interface was flat
so that the results of the interfacial temperature discontinuities could be compared to past condensation experiments conducted under similar experimental conditions using a spherical interface. Two experimental methods were used. Method 1 was to vary the temperature in the cooling pipes (Tcp ) with the position of the interface relative to the cooling pipes fixed. Method 2 was to vary the position of the interface while Tcp was held constant. The interfacial temperature discontinuities in this study were approximately 2.3-9 times smaller in magnitude, than those measured using a spherical liquid-vapour interface. The experimental results showed that the condensation flux increased as thermocapillary convection increased (increase in interfacial temperature
gradients and speed). This increase resulted in a 1.37-12.5 times enhancement in the condensation flux of pure water.
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Wickramasinghe, Dhanuka Navodya. "Effect of G-Jitter on Liquid Bridge Vibrations with & without Marangoni Convection." Thesis, 2011. http://hdl.handle.net/1807/31638.
Full textAbstract:
Effects of external vibrations (called g-jitter) on Marangoni convection in a liquid bridge were investigated on the International Space Station (ISS) and in ground-based experiments. In ISS, most dominant g-jitter frequency was noted to be ~110 Hz. ISS experiments suggested that
the surface vibrations were mainly affected by the aspect ratio (length/diameter ratio), but not the imposed temperature gradient. Liquid bridge surface vibrations agreed well with Ichikawa et al.’s model.
Ground-based experiments confirmed that increasing the volume ratio would cause the
resonance frequency to increase. When a temperature difference was imposed between the upper and lower disks, for constant aspect and volume ratios, the resonance frequency tended to increase with the decreasing temperature difference. Furthermore, the shift in the resonance
frequency due to a temperature difference, was found to be due to Marangoni convection and not due to reduced viscosity or surface tension of the fluid.