Des bulles en ébullition
30/11/15

Chaque année, lors de la conférence Division of Fluid Dynamics de l’American Physical Society, une compétition permet d’élire le plus beau film mettant en évidence des phénomènes liés à la mécanique des fluides. Alexis Duchesne (post-doc), Charles Dubois (doctorant ARC) et Hervé Caps (professeur) au sein du GRASP (Group for Research and Applications in Statistical Physics) de l’Université de Liège, ont remporté le premier prix parmi plus de 100 vidéos en compétition.

La vidéo présentée illustre de récents résultats obtenus sur la dynamique des bulles de gaz produites par l’ébullition d’un liquide. Une situation qu’on retrouve dans la vie quotidienne puisque c’est, par exemple, celle des bulles de vapeur d’eau produites au fond de la casserole d’eau qui bout.

Alors que le phénomène de nucléation de bulles est largement étudié, la dynamique de ces dernières n’a jamais fait l’objet d’une attention particulière. Dans le cas présent, la source de chaleur est un fil de métal, chauffé par le passage d’un courant électrique.

On constate que si la température du fil est plus petite que la température d’ébullition du liquide (ici de l’huile silicone), rien ne se passe. Au-delà de cette température, des bulles apparaissent. Deux surprises arrivent alors : (i) malgré le fait que les bulles soient plus légères que le liquide, elles ne remontent pas à la surface mais restent « collées » au fil ; (ii) elles se déplacent… et le font très rapidement (presque 10cm/s).

La vidéo présentée illustre de récents résultats obtenus sur la dynamique des bulles de gaz produites par l’ébullition d’un liquide. Une situation qu’on retrouve dans la vie quotidienne puisque c’est, par exemple, celle des bulles de vapeur d’eau produites au fond de la casserole d’eau qui bout.

Alors que le phénomène de nucléation de bulles est largement étudié, la dynamique de ces dernières n’a jamais fait l’objet d’une attention particulière. Dans le cas présent, la source de chaleur est un fil de métal, chauffé par le passage d’un courant électrique.

On constate que si la température du fil est plus petite que la température d’ébullition du liquide (ici de l’huile silicone), rien ne se passe. Au-delà de cette température, des bulles apparaissent. Deux surprises arrivent alors : (i) malgré le fait que les bulles soient plus légères que le liquide, elles ne remontent pas à la surface mais restent « collées » au fil ; (ii) elles se déplacent… et le font très rapidement (presque 10cm/s).

Lorsque deux bulles se rencontrent, elles peuvent rebondir l’une sur l’autre ou fusionner. Lorsque plusieurs bulles ont fusionné, la bulle résultante peut devenir assez grande pour se dérober à « l’attraction » du fil et décoller. En chauffant d’avantage le fil, des grappes de bulles se forment. Ces grappes sont fixes et, entre elles, des bulles isolées rebondissent. En augmentant encore la température du fil, il est possible de créer des grappes de la taille du fil, provoquant un calme pour le moins surprenant dans ce liquide en ébullition.

Finalement, lorsque la température du fil est très importante, on arrive dans la région d’ébullition en film. Le fil est si chaud qu’il est entièrement couvert d’une couche de vapeur. Cette couche est instable et se déforme pour donner des bulles. Dans le cas d’un fil épais, les bulles ainsi produites présentent une parfaite régularité. Pour un fil plus fin, on peut avoir de grosses bulles piégées, tout autour du fil. Le motif ainsi créé est instable et des bulles géantes « cannibales » apparaissent.

 

Retour en haut de l'article