Quand un mur liquide se met à osciller
Le ressaut hydraulique circulaire est un mur liquide qui se forme autour d'un jet d’eau frappant le fond d'un évier. Ce phénomène est bien connu, mais pour la première fois des chercheurs de l'Institut d'électronique de microélectronique et de nanotechnologie ont étudié comment le ressaut pouvait apparaître et disparaître plusieurs fois par seconde, et identifié les conditions dans lesquelles cette oscillation restait stable. Leurs résultats sont publiés dans la revue Physical Review Letters.
Lorsqu'un jet d'eau vertical frappe une surface plane -par exemple, le fond d'un évier- il se forme autour de l'impact une paroi liquide circulaire. Ce phénomène de ''ressaut hydraulique'', observé depuis longtemps, peut devenir oscillant: le mur liquide s’ouvre et se ferme plusieurs fois par seconde, et dans certaines conditions ces oscillations se poursuivent tant que le système n'est pas perturbé. Une équipe de chercheurs de l’Institut d'électronique de microélectronique et de nanotechnologie (IEMN, CNRS/Université de Lille/Université polytechnique Hauts-de-France) a pour la première fois rapporté ce phénomène, identifié les paramètres qui régissent son apparition spontanée, et proposé une explication de son mécanisme.
Pour étudier expérimentalement le ressaut hydraulique, les chercheurs ont utilisé un jet d'eau de moins de 1 mm de diamètre, projeté à travers une aiguille sur un disque de plexiglass. La formation et l'évolution du ressaut hydraulique autour du jet sont observées à l'aide d'une caméra placée en-dessous du disque. En faisant varier les paramètres de l'expérience, l'équipe a montré qu'une oscillation stable ne se forme que sur une plage de débit (entre 1,8 ml/s et 2,2 ml/s), mais qu'une fois installée, sa période est indépendante du débit. En revanche, la période d'oscillation augmente avec la taille des disques utilisés, dont le rayon variait de 1 à 6 cm.
Pour rendre compte de ces observations, un modèle théorique de la couche d'eau sur le disque, dans laquelle le ressaut génère des vaguelettes (ondes de gravité), a été élaboré. Il a permis de montrer que le disque agit comme une cavité pour ces ondes et de constater que la fréquence d'oscillation du ressaut mesurée expérimentalement correspond toujours à une fréquence propre de la cavité prévue par le modèle. La couche de liquide sur le disque agit donc comme une caisse de résonance des vaguelettes, et ce sont les variations périodiques de la hauteur de la couche d'eau qui provoquent les oscillations du ressaut hydraulique. Le modèle prévoit également la corrélation entre la période d'oscillation et le rayon du disque, comme observée expérimentalement. Par ailleurs, l'étude a montré qu'en décentrant l'impact du jet sur le disque, on obtenait d'autres fréquences d'oscillation. Enfin, en utilisant deux jets simultanés, on peut obtenir deux ressauts synchronisés qui oscillent en opposition de phase.
Ces résultats pourraient permettre d'améliorer l'efficacité des jets d'eau utilisés pour le nettoyage ou le refroidissement dans des procédés industriels, en évitant la formation du ressaut hydraulique. Sur un plan plus fondamental, l'équipe envisage d'explorer l'influence d'autres paramètres tels que la viscosité du fluide et la rugosité de surface du disque, ou encore de multiplier le nombre de jets.
© Goerlinger and al.
Références
Oscillations and Cavity Modes in the Circular Hydraulic Jump.
Aurélien Goerlinger, Michael Baudoin, Farzam Zoueshtiagh et Alexis Duchesne.
Physical Review Letters, 8 November 2023.
https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.131.194001
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