Comportement de l'eau qui tombe en jet

[neutrinou]

Bonjour,
Soit un liquide qui tombe verticalement (par exemple de l'extrémité d'un tuyau de section circulaire). Le débit initial est assez fort pour qu'on ait un écoulement laminaire.
Puis j'observe que le jet se désorganise brutalement. Pourquoi ?

J'ai pensé appliquer les lois régissant les écoulements dans un tube, mais là, la désorganisation n'est pas due à un frottement contre des parois inexistantes. Donc pas de nombre de Reynolds.
En théorie, il y a une accélération de la chute du fait de la pesanteur. Quel rôle joue cette accélération (sachant qu'au départ, le liquide a une vitesse non nulle) si tant est qu'elle joue un rôle ? Est-ce qu'on peut négliger les forces de frottement dues à l'air ?
Est-ce un problème de tension de surface ?

J'avoue que je ne comprends pas du tout le mécanisme du phénomène.

Merci pour vos réponses.
-----

[LPFR]

Bonjour.
De quel jet parlez-vous ?
D’une manche d’incendie ou du robinet de l’évier que l’on ouvre un peu ?
Au revoir.

[neutrinou]

Merci !
Manche d'incendie, robinet d'évier, est-ce que ça joue, du moment que le débit initial est assez fort pour qu'on ait un écoulement laminaire ? L'exemple pris est un tuyau de section circulaire, par exemple tuyau d'arrosage.

[f6bes]

Bjr à toi,
"....Puis j'observe que le jet se désorganise brutalement...."
Ce qui sous entends qu'à x cm de la sortie (ou plis loin) , il n'a plus la meme ..."organisation". Qu'appeles tu..."brusquement" ?
et que définis tu par "désorganisation " ?
Bonne journée

[A voir en vidéo sur Futura]

[LPFR]

Merci !
Manche d'incendie, robinet d'évier, est-ce que ça joue, du moment que le débit initial est assez fort pour qu'on ait un écoulement laminaire ? L'exemple pris est un tuyau de section circulaire, par exemple tuyau d'arrosage.

Re.
Pourquoi pensez-vous que je vous pose la question ?
Dans le cas d’un tuyau d’arrosage, le jet est turbulent depuis le départ.
Et c’est au contraire, à fort débit on a plus de chance d’être en régime turbulent que laminaire.
A+

[Dynamix]

Salut

En théorie, il y a une accélération de la chute du fait de la pesanteur. Quel rôle joue cette accélération (sachant qu'au départ, le liquide a une vitesse non nulle) si tant est qu'elle joue un rôle

C' est très visible dans l' évier ; le filet d' eau devient de plus en plus fin .
Il finit par se séparer en gouttes .
Quand la vitesse augmente , la pression de l' air fait éclater les gouttes en gouttes plus fines .
Quand on jette un saut d' eau par la fenêtre du sixième étage , il arrive en pluie .
Les frottement sont faibles et n' ont pas un rôle importants .

[neutrinou]

Re.
Pourquoi pensez-vous que je vous pose la question ?
Dans le cas d’un tuyau d’arrosage, le jet est turbulent depuis le départ.
Et c’est au contraire, à fort débit on a plus de chance d’être en régime turbulent que laminaire.
A+

Ce n'est pas ce que j'observe.
A noter que dans le cas d'un écoulement régi par un nombre de Reynolds, la vitesse est au numérateur (donc plus la vitesse d'origine est grande, plus tardive est la transformation en écoulement turbulent)

[neutrinou]

Bjr à toi,
"....Puis j'observe que le jet se désorganise brutalement...."
Ce qui sous entends qu'à x cm de la sortie (ou plis loin) , il n'a plus la meme ..."organisation". Qu'appeles tu..."brusquement" ?
et que définis tu par "désorganisation " ?
Bonne journée

brusquement : il n'y a quasiment pas de transition entre l'écoulement laminaire et la forme d'écoulement qui suit
désorganisation : un écoulement qui n'est pas laminaire.
Pour ceux qui ont de la peine à se représenter le phénomène, je recommande de boire deux bières et d'attendre 10 minutes (ou plus en fonction du débit glomérulaire de chacun)

[neutrinou]

Salut


C' est très visible dans l' évier ; le filet d' eau devient de plus en plus fin .
Il finit par se séparer en gouttes .
Quand la vitesse augmente , la pression de l' air fait éclater les gouttes en gouttes plus fines .
Quand on jette un saut d' eau par la fenêtre du sixième étage , il arrive en pluie .
Les frottement sont faibles et n' ont pas un rôle importants .

Oui, je verrais bien les choses comme ça. Toutefois, quand la puissance initiale du jet est importante, je n'ai pas observé d'amincissement du jet. Mais je ne comprends pas trop comment la pression de l'air fait éclater les gouttes, et en même temps les frottements sont faibles.
Merci !

[masterclassic]

Bonjour.
Dans la pratique, l'écoulement dans les réseaux hydrauliques est très rarement laminaire (je dirais jamais en fonctionnement normal). Pour cela il faudrait des vitesses d'écoulement très faibles, de quelques millimètres par seconde, et donc le réseau serait très cher à construire (très grosses sections de tuyauterie, dont coût élevé).
Je crois que cette "désorganisation" de l'écoulement se fait progressivement après la sortie du robinet. Plus la vitesse initiale est grande, plus l'eau va loin avant que la pesanteur et l'interaction avec l'air agissent de manière importante.

[Dynamix]

Toutefois, quand la puissance initiale du jet est importante, je n'ai pas observé d'amincissement du jet.

Il y a quand même rétrécissement , mais plus faible .
Plus la vitesse initiale est grande , moins l' accélération (g) se fait sentir .

[obi76]

Bonjour,

le fait qu'il rétressisse n'explique pas sa déstabilisation. Dans un cas "idéel" à symétrie cylindrique, l'eau ne se déstabiliserait pas.

Ce qu'il se passe, c'est l'apparition d'une oscillation en surface du jet (dépendant de la tension de surface et de sa vitesse par rapport à l'air), qui à partir d'un moment va s'amplifier puis devenir tellement important qu'on a rupture de la continuité du fil d'eau : on a la formation des premières gouttes. Ca se voit aussi en complètement laminaire.

Il ME SEMBLE (de mémoire) qu'on appelle ça les instabilités de Laplace, c'est ce qui explique la longueur caractéristique d'un jet avant son atomisation, dans des injecteurs voiture par exemple.

[masterclassic]

Oscillations de surface: mais c'est ça le résultat de la turbulence. En régime turbulent le trajet des particules élémentaires du fluide se fait autour d'une direction moyenne mais avec des oscillations.
Au fur et à mesure que le liquide s'accelère en tombant, je ne sais pas combien il pourrait garder même son régime éventuellement laminaire initial.

La rupture dépend aussi de la viscosité du fluide. Si nous faisons une expérience avec un liquide très visqueux (une huile ou du savon liquide, pas exemple) nous arrivons à avoir des ecoulements beaucoup plus fins sans rupture.

[masterclassic]

Il ME SEMBLE (de mémoire) qu'on appelle ça les instabilités de Laplace

Est-ce peut-être ce que je trouve comme "Plateau–Rayleigh instability"?
Il y a une photo animée dans ce lien. Elle présente une goute qui tombe du robinet, donc à débit très faible.

(La version française https://fr.wikipedia.org/wiki/Instab...ateau-Rayleigh ne donne pas beaucoup d'explications).
Regardez aussi la version italienne pour une photo encore plus explicite.

[obi76]

L'instabilité de Rayleigh-Taylor est assez semblable oui, mais il ne sagit pas de la meme chose. Rayleigh-Taylor n'a pas pour cause un cisaillement, mais une confrontation entre tension de surface et gravité. Concernant l'instabilité que j'ai évoqué, c'est bien entre le cisaillement et la tension de surface que les phénomènes en jeu se produisent.

[obi76]

Après lecture de la page, effectivement, vous avez raison mais c'est assez bizarre. Ils mélangent les 2phénomènes avec une seule "loi", alors que pour ma part j'en ai toujours vu 2 distincts (avec 2 lois : une pour chacun).

[neutrinou]

Merci de vos réponses.

J'aurais une proposition alterne, inspirée par les dernières interventions. Mais juste avant, une petite expérience : un tuyau relié au bas d'une cafetière située au dessus d'une casserole d'eau débouche dans cette casserole. Le café coule. L'agitation moléculaire aboutit naturellement à la diffusion du café dans l'eau, une fois passés les premiers centimètres durant lesquels le café a encore de l'inertie gravitationnelle.

Là, le milieu est aérien et non liquide, mais les molécules d'eau ont tout autant tendance à se séparer dans toutes les directions du fait de leur agitation thermique et du degré de liberté que leur donne le fait de ne pas être dans un cristal. Mais aucune ne remonte du fait de la gravitation. Elles tombent simplement en s'écartant les unes des autres (comme le café dans l'eau, avec d'autres paramètres du fait des densités différentes).

Les règles Poiseuille, Reynolds etc. relatives aux écoulements laminaires / turbulents n'interviennent pas dans cette explication.
Les forces de frottement sont négligeables.
L'accélération de la pesanteur joue son rôle habituel, sans influencer de son seul fait la dispersion des molécules.
En revanche, arrivé à un certain niveau de dispersion, les phénomènes de tension de surface interviennent et limitent l'éclatement total de l'eau : des gouttes se forment. A ce moment, c'est donc un second mécanisme qui prend le relai. Je pense qu'il se produirait même si l'eau était jetée dans le vide (cf. le whisky du capitaine Haddock - On a marché sur la lune) car il ne tient pas à l'air mais à des forces électriques.

Je résume : premier temps, dispersion des molécules qui (une fois passée l'inertie de départ) sont animées de mouvements aléatoires, s'entrechoquent et rebondissent tout en tombant ; second temps, organisation de gouttes.

[masterclassic]

Dans le vide l'eau va s'évaporer très rapidement.
Puis, en phase liquide je pense que l'eau ne se comporte pas comme les molécules d'un gaz. Un gaz et un liquide sont des fluides, mais dans le das d'un gaz le rôle de la pesenteur est beaucoup plus faible que dans le cas de l'eau. Il y a aussi une très grande différence en ce qui concerne la compressibilité.

[obi76]

Non non, l'explication est bien celle que je vous ai donné : il existe des modes à la surface du jet en sortie de tuyau, dont cetaines fréquences ont tendance à entrer en résonance et d'autre à s'atténuer. Ce qui sélectionne les modes instables est bien la relation entre le cisaillement de la surface (déstabilisatrice) et de la tension de surface (stabilisatrice).

Je peux essayer de remettre la main sur des références, j'avais vu ça à des lectures series au VKI en 2008 (qui portait justement sur ce type de problématiques).

Il sagit juste du nom de cette oscillation dont je ne me rappelle plus, mais la phénoménologie est bien celle-ci.

[Hadrien322]

C'est simplement le fait que l'eau, même si elle est liquide, impose une certaine force à tout ce qui tombe dedans, si par exemple c'était une bille qui tombait, elle ralentirait en rentrant dedans.

C'est pas comme si l'eau était soluble à elle-même comme des gaz, il y a trop de matière, trop dense, pour ne pas imposer une tension, ou une force, pour que le jet coule droit.

(Je suppose que tu vas aussi effacer ce post obi76 ? (c'est juste pour voir, j'essaie de comprendre quel problème t'as avec moi))

[obi76]

(Je suppose que tu vas aussi effacer ce post obi76 ? (c'est juste pour voir, j'essaie de comprendre quel problème t'as avec moi))

Pour le moment non, mais vous allez finir par user ma patience.

Et merci d'essayer d'etre un minimum scientifique, si ce n'est trop demander. Votre dernier post (ainsi que les 3 autres) sont un ramassis d'anneries (pour ne pas dire autre chose qui rime).

[LPFR]

C'est simplement le fait que l'eau, même si elle est liquide, impose une certaine force à tout ce qui tombe dedans, si par exemple c'était une bille qui tombait, elle ralentirait en rentrant dedans.

C'est pas comme si l'eau était soluble à elle-même comme des gaz, il y a trop de matière, trop dense, pour ne pas imposer une tension, ou une force, pour que le jet coule droit.

(Je suppose que tu vas aussi effacer ce post obi76 ? (c'est juste pour voir, j'essaie de comprendre quel problème t'as avec moi))

Bonjour.
C’est du n’importe quoi.
Quand une discussion arrive à ce niveau, le mieux est de la fermer.
Au revoir.