京都大学 / 新制・課程博士 / 博士(工学) / 甲第24646号 / 工博第5152号 / 新制||工||1984(附属図書館) / 京都大学大学院工学研究科化学工学専攻 / (主査)教授 山本 量一, 教授 外輪 健一郎, 教授 松坂 修二 / 学位規則第4条第1項該当 / Doctor of Philosophy (Engineering) / Kyoto University / DFAM

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Alors qu'il est bien connu que le phénomène d'instabilité de Faraday est une manifestation d'ondes de gravité capillaire, son comportement lorsque les effets capillaires et gravitationnels disparaissent reste inexploré théoriquement et expérimentalement. Une étude expérimentale et théorique détaillée est réalisée pour comprendre la physique de ce phénomène dans une petite cavité rectangulaire où la proximité des murs entraîne des contraintes considérables sur les parois latérales. Un couple de liquides binaires est utilisé avec une faible tension interfaciale pour une interface presque plate. Le contrôle thermique de ce système de fluide est utilisé pour diminuer la force capillaire et d’étudier ainsi les instabilités de Faraday dans les fluides miscibles où la tension interfaciale s’annule. Afin de prendre en compte les effets gravitationnels, l'expérience a été réalisée dans des campagnes de vols paraboliques. Pour l'approche théorique, une analyse de stabilité linéaire est effectuée à l'aide d'équations de Navier-Stokes dans un système de fluide visqueux incompressible et newtonien. Ceci est réalisé grâce à une méthode de Fourier-Floquet résultant en un problème aux valeurs propres. Les comparaisons montrent des différences non négligeables. Les équations sont ensuite résolues en incluant des effets d'amortissement visqueux pour compenser les contraintes des parois latérales. Les fluides binaires ont fourni une option commode pourchanger le coefficient de tension interfaciale en augmentant la température jusqu’à la température critique, ce qui a permis de passer d’un système de fluides non miscibles à celui des fluides miscibles tout en restant au-dessous de la température d’ébullition. Le taux d'amortissement visqueux linéaire est mesuré expérimentalement. La correction des calculs théoriques en prenant en compte le taux d'amortissement visqueux a permis une amélioration nette des résultats et donc de mieux comprendre la prédiction de l'amplitude critique expérimentale pour les modes sous-harmonique et harmonique. / While it is well known that the phenomenon of Faraday instability is a manifestation of vibrational acceleration, its behaviour when both the capillary and gravitational effects vanish, remains unexplored theoretically and experimentally. A detailed experimental and theoretical study is performed to understand the physics of this phenomenon in small rectangular geometry where the proximity of wall results in considerable sidewall stresses. A novel binary liquids system is utilized with low interfacial tension for a near flat interface. Thermal control of fluid system is utilized for achieving reduction in capillary force with study of miscible fluids where interfacial tension reduces to almost zero. In order to discriminate between gravity and capillarity effects, experiments were performed in parabolic flight campaigns. . For the theoretical approach a linear stability analysis is performed through Navier-Stokes equations in a Newtonian incompressible viscous fluid system. This is achieved through a Fourier Floquet method resulting into an eigenvalue problem. Equations are solved by including viscous damping effects for compensating sidewall stresses. Experimentally binary fluids provided a convenient option of changing the coefficient of interfacial tension by temperature control and going through immiscible to miscible system without change of liquid charge. Viscous damping rate is determined experimentally by measuring the linear damping rate. The correction in the theoretical calculations with the viscous damping rate helped in achieving a better understanding of the prediction of the experimental critical amplitude for sub-harmonic and harmonic modes.

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À l'approche d'un point critique, la divergence de la longueur de corrélation des fluctuations peut être tronquée par le confinement du système. Cette troncature engendre des effets de taille finie présentant des caractères universels au sein d'un classe de transitions de phases.Nous nous sommes intéressés particulièrement à la classe d'universalité du modèle d'Ising, regroupant notamment les transitions de phase ferro/paramagnétique pour les systèmes magnétiques uniaxiaux, la transition liquide/gaz et encore la démixtion de mélanges binaires. Nous présentons tout d'abord une introduction aux phénomènes critiques, à l'universalité, au « finite-size scaling » et aux simulations Monte Carlo du modèle d'Ising, sur lesquelles se fondent la majeur partie de ce travail.Un effet de taille finie ayant attiré une grande attention durant les dernières dizaines d'années est la force de Casimir critique. Les travaux théoriques et numériques concernant cette force ont, dans leur quasi totalité, été menés dans des systèmes magnétiques modèles, tel que les modèles d'Ising ou XY. Par contre, les approches expérimentales ont toutes été réalisées dans des systèmes fluides, tels que des mélanges binaires ou de l'hélium IV proche de la transition superfluide.Une motivation de ce travail a été de chercher a résoudre cette situation paradoxale en proposant, d'une part, un protocole expérimental pour la mesure de la force de Casimir dans une couche mince magnétique et, d'autre part, une approche numérique dans un mélange binaire de type Lennard-Jones. Cette dernière approche présente l'avantage d'ouvrir la porte à des études des fluctuations de la force de Casimir ou encore hors-équilibre. / Approaching a critical point, the divergence of the correlation length of fluctuations can be cut-off by a confinement of the system. This truncation fosters finite size effects with universal features in a class of continuous phase transitions. We are particularly interested in the Ising universality class, regrouping transitions such as the ferromagnetic/paramagnetic transition for uniaxial magnetic systems, the liquid/gas tran- sition and the demixing of binary mixtures. We will first present an introduction to critical phenomena, universality, finite-size scaling and Monte Carlo simulations of the Ising model, on which a major part of this work relies.A finite size effect that has particularly drawn attention in the past decades is the critical Casimir force. On the one hand, theoretical and numerical works on the subject have almost systematically been performed in magnetic model systems, such as the Ising or XY models. On the other hand, experimental approaches were all realized in fluid systems, such as binary mixtures or helium IV close to the superfluid transition.A motivation of this work was to bridge this gap by proposing, firstly, an experimental protocol for measuring the critical Casimir force in a magnetic layer and, secondly, a numerical approach in a Lennard-Jones binary mixture. The latter is of particular interest as it could lead the way to studying fluctuations of the Casimir force or out-of-equilibrium phenomena.