Bubulles

Informations contact : vincent.jouveshomme@etu.sorbonne-universite.fr et elsa.melili@etu.sorbonne-universite.fr

Projet : Modélisation analogique de la remontée du gaz dans une "cheminée" magmatique.

Description et objectifs :

Notre objectif est de reproduire 2 cas extrêmes du comportement du flux de gaz lors de la remontée du magma pour deux dynamismes éruptifs différents, à l'aide d'un modèle analogique. Ces 2 cas sont : une remontée homogène du gaz (flux continu de petites bulles) qui donne lieu à un dynamisme effusif de type coulées de lave, et une remontée hétérogène (flux discontinu, bulles massives) qui donne lieu à des éruptions intermittentes de type stromboliennes. Nous allons faire varier différents paramètres pour étudier lesquels ont une influence sur le flux montant de gaz, et donc sur la dynamique de l'éruption :

la viscosité du matériau qui sert d'analogue au magma (2 matériaux différents)
le diamètre de la colonne en plexiglass qui sert d'analogue au conduit magmatique (2 diamètres différents)
si nous n'arrivons pas à obtenir les 2 cas décrits ci-dessus en modifiant les 2 premiers paramètres, nous ferons aussi varier le flux de gaz à la base de la colonne

Matériel :

2 colonnes en plexiglass : une de 5cm et une de 10cm de diamètre
2 cristallisoirs
2 thermomètres
2 bulleurs
2 couvercles
4 plateaux perforants (2 avec des petits troues et 2 avec différentes tailles de troues)
2 pinces
chronomètre manuel (prise de vidéo)

Montage expérimental :

Le bulleur sera introduit dans le cristallisoir via un trou dans le couvercle. Ce même couvercle forcera l'air introduit dans le fluide du cristallisoir à remonter par la colonne en plexiglass.

Le plateau perforant permettra de contrôler les tailles des bulles qui remontent le long du conduit. Où placer le plateau : au niveau du bulleur où à la base de la colonne ?

L'analogue au gaz volcanique qu'on utilisera sera tout simplement de l'air.

Fluides envisagés : Huile de vidange et glycérine liquide (faire des dilutions successives jusqu'à observer une viscosité qui nous convient, ou trouver une relation nous permettant de calculer la viscosité théorique en fonction de la concentration).

Pour la plupart des fluides, la viscosité change avec la température --> on peut essayer de trouver un fluide qui échappe à cette règle, sinon : on étudie les variations de viscosité du matériau utilisé en fonction de la température, et on mesure la température du fluide avec un thermomètre lors de nos expériences, afin de prendre en compte ce paramètre.

Attendus :

Calcul des vitesses de remontées des bulles de gaz
Construction du diagramme vitesse mesurée = f (diamètre)
Discussion des régimes d'ascension des bulles observées en fonction des diamètres et des viscosités (éventuellement des flux d'air)

Semaine 3

Test de matériaux, d'étanchéité et de bulleur pour la colonne de 5cm de diamètre.

Premier montage réussi.

Matériel : colonne 5cm - bulleur - pince - eau - pistolet à colle - boite en plastique hermétique

Nous avons utilisé un seau en plastique et son couvercle à la place du cristallisoir. Sur le couvercle, on a percé un trou d'un peu plus de 5 cm de diamètre (pour prendre en compte l'épaisseur du plexi) et un autre de quelques mm de diamètre (pour le bulleur). Des fissures se sont formées lors du perçage sur le plastique, donc nous avons cherché à les boucher pour étanchéifier le couvercle avant de rempli le seau d'eau --> nous avons d'abord essayé avec du scotch, sans succès, puis avec un pistolet à colle, qui a parfaitement bouché les fissures. Nous avons donc pu remplir le seau et la colonne d'eau en versant du haut de la colonne. Le montage était étanche et a bien fonctionnée : l'air est bien remonté par la colonne.

Pour la suite ;

--> trouver un récipient similaire au seau en plastique, mais plus grand, pour le 2e montage avec la colonne de 10 cm de diamètre

--> étudier les propriétés de l'huile de vidange (viscosité en fonction de la température) qui est l'un des matériaux qu'on nous a conseillé d'utiliser

--> en fonction de l'ordre de grandeur trouvé pour la viscosité de l'huile, choisir une concentration de glycérol qui permet d'avoir une 2e viscosité assez différente pour au final obtenir 2 dynamique distinctes pour la remontée du gaz

Semaine 4

Première approche d'openscad, réalisation du programme pour créer les embouts qui rattacheront la colonne au plaques perforantes.

--> Nous avons opté pour un montage un peu différent de celui présenté sur le schéma au tout début de ce dossier :

Nous voulions initialement insérer le plateau perforant à l'intérieur de la colonne (à la base), ou le jointer au couvercle, au-dessus du trou, et poser la colonne dessus. Si l'on fait ça, les plateaux perforants ne pourront pas être retirés du montage, et il aurait donc fallu faire plusieurs montages pour chaque plateau, nous aurions eu besoin de plusieurs colonnes de chaque taille, etc. Nous avons donc décider d'imprimer une pièce à fixer à la base de la colonne, un cylindre troué en haut et en bas (pour laisser s'écouler le fluide et le gaz) qui dispose d'un compartiment fin, dans lequel nous allons insérer les 2 plateaux perforants différents. Cela rendra possible l'échange de plateau sur un même montage pour avoir 2 tailles de bulles différentes.

Pour résumer, nous devons imprimer 2 de ces pièces, une pour chaque taille de colonne (le diamètre intérieur du cylindre correspond au diamètre extérieur de la colonne), et 4 plateaux perforants (découpe laser), 2 différents pour chaque taille de colonne, que l'on pourra glisser et remplacer dans la pièce cylindrique.

programme pour la colonne de 5 cm :

$fn = 200;

hauteur = 20;
diam_ext = 60;
diam_int = 50;
h_plaque = 3;
diam_plaque = 55;
largeur = 40;
longueur = 60;

difference() {
  cylinder(hauteur, d = diam_ext);
  translate ([0,0,0]) cylinder (hauteur, d = diam_int);
    union () {
        translate ([0,0,3]) cylinder (h_plaque, d = diam_plaque);
          translate ([0,-30,3])
          cube ([largeur, longueur, h_plaque]);
}
}

Le programme de la pièce qui a été soustrait au cylindre pour réaliser la fente va être converti et utilisé sur Inkscape comme base pour les plateaux perforants.

semaine 5

Pièce réussie et compatible avec la colonne

semaine 6

$fn = 200;

hauteur = 3;
diam_ext = 60;
diam_int = 50;
h_plaque = 3;
diam_plaque = 55;
largeur = 40;
longueur = 60;
diam_pittrou = 4;


difference () {
 union () {
    translate ([0,0,0]) cylinder (h_plaque, d = diam_plaque);
     translate ([0,-30,0])
     cube ([largeur, longueur, h_plaque]);
 }
          translate ([0,0,0]) cylinder(hauteur, d = diam_pittrou);
          translate ([0,15,0]) cylinder(hauteur, d = diam_pittrou);
          translate ([0,-15,0]) cylinder(hauteur, d = diam_pittrou);
          translate ([15,0,0]) cylinder(hauteur, d = diam_pittrou); 
          translate ([-15,0,0]) cylinder(hauteur, d = diam_pittrou);
          translate ([13,13,0]) cylinder(hauteur, d = diam_pittrou);
          translate ([-13,13,0]) cylinder(hauteur, d = diam_pittrou); 
          translate ([-13,-13,0]) cylinder(hauteur, d = diam_pittrou);
          translate ([13,-13,0]) cylinder(hauteur, d = diam_pittrou);
}

Objectif de la semaine 6 : Créer les différents plateaux perforants coulissants (2 avec des trous de même taille et 2 avec deux tailles de trous) grâce à openscad. Tester le montage avec les plateaux perforants et l'eau. Récupérer la glycérine au labo.

Pour cette séance de vendredi, nous avons eu des problèmes : le montage prototype que nous avions testé avec l'eau n'est plus étanche, et le couvercle du seau n'est pas adapté à la pression exercée par le glycérol qui pousse l'air lorsqu'on le verse dans le montage. Nous devons trouvé un autre récipient pour le montage.

Nous avons pensé à un tupperware, avec un couvercle à clipper, pour être sûr qu'il tienne. Le couvercle de ce genre de tupperware est épais, donc nous n'aurons à priori pas de problème de fissures en perçant, ce qui facilitera l'étanchéité --> il suffira de fixer la colonne et le bulleur en jointant (si nous faisons ça, nous aurons besoin d'un 2e bulleur pour le 2e montage, une 2e solution serait d'avoir un trou légèrement pus petit que le tuyau du bulleur, pour que le trou soit entièrement rempli par le tuyau).

Ci-dessus : le genre de tupperware auquel nous avons pensé. Le tupperware qui nous paraissait le mieux est rond, et un peu plus profond pour qu'on soit sûr de ne pas avoir de problème à ce niveau-là. Les références sont ci-dessous :

On a trouvé ce tupperware dans le magasin à côté du campus, peut-être qu'il sera possible de ne pas en commander.

Dimensions idéales : L 21, l 15, h 12

Ce qu'il nous manque pour l'instant :

récipient pour le montage, avec un couvercle épais et bien fixé --> après le perçage, s'il n'y a pas de fissure, on pourra étanchéifier le montage en jointant
pièces restantes à imprimer --> porte-plateau pour la colonne de 10 cm, plateau avec petits trous pour la colonne de 5 cm, 2 types de plateaux pour la colonne de 10 cm

On a opté pour ce récipient :

Numéro d'article : 392.690.97

Lien : https://www.ikea.com/fr/fr/p/ikea-365-boite-de-conservation-av-couvercle-rond-verre-plastique-s39269097/

+ si on fait 2 montages côte à côte uniquement pour les colonnes de 5cm (un avec de l'eau et un avec du glycérol), on aura besoin d'un 2e bulleur. On aura aussi besoin de bulleurs pour les montages avec la colonne de 10cm, mais ce n'est pas la priorité.

A priori, on n'aura pas de problèmes de fissures, donc on pourra simplement jointer les pièces pour étanchéifier.

Choses à faire pour le montage de la colonne de 5cm --> éventuellement réimprimer le plateau petitstrous (épaisseur un peu trop grande). Si on fait 2 montages (eau et glycérol), il faudra qu'on réimprime toutes les pièces pour la colonne de 5 cm.

Recap des commandes :

Au moins 1x le récipient Ikea, qu'on va utiliser pour le montage avec le glycérol (colonne de 5cm). Si on fait 2 montages pour chaque colonne (avec les 2 fluides) --> on aura besoin en tout de 4 récipients (!!! problème si on veut faire ça, on aura besoin d'une 2e colonne de 10cm, on en a qu'une).
De la même façon, on aura besoin de plusieurs bulleurs (au moins 2 pour les montages avec les colonnes de 5cm).

Objectif de la semaine 7: Créer les différents plateaux et embouts pour la colonne de 10 cm.Imprimer un couvercle supplémentaire à ajouter sur le couvercle préexistant afin d'améliorer l'étanchéité.

Voici les codes des pièces pour la colonne de 10 cm (Pierre, si tu lis le wiki, je n'ai pas réussi à les exporter en format stl depuis mon ordi, j'avais déjà eu ce problème avant) :

1) Le cylindre en bout de colonne :

$fn = 200;

hauteur = 20;
diam_ext = 110;
diam_int = 100;
h_plaque = 3;
diam_plaque = 105;
largeur = 90;
longueur = 110;

difference () {
  cylinder(hauteur, d = diam_ext);
  translate ([0,0,0]) cylinder (hauteur, d = diam_int);
    union () {
        translate ([0,0,3]) cylinder (h_plaque, d = diam_plaque);
          translate ([0,-30,3])
          cube ([largeur, longueur, h_plaque]);
}
}

2) Le plateau avec uniquement des petits trous :

$fn = 200;

hauteur = 2.5;
diam_ext = 110;
diam_int = 100;
h_plaque = 2.5;
diam_plaque = 105;
largeur = 90;
longueur = 110;
diam_pittrou = 4;


difference () {
 union () {
    translate ([0,0,0]) cylinder (h_plaque, d = diam_plaque);
     translate ([0,-55,0])
     cube ([largeur, longueur, h_plaque]);
 }
          translate ([0,0,0]) cylinder(hauteur, d = diam_pittrou);
          translate ([0,20,0]) cylinder(hauteur, d = diam_pittrou);
          translate ([0,-20,0]) cylinder(hauteur, d = diam_pittrou);
          translate ([20,0,0]) cylinder(hauteur, d = diam_pittrou); 
          translate ([-20,0,0]) cylinder(hauteur, d = diam_pittrou);
          translate ([15,15,0]) cylinder(hauteur, d = diam_pittrou);
          translate ([-15,15,0]) cylinder(hauteur, d = diam_pittrou); 
          translate ([-15,-15,0]) cylinder(hauteur, d = diam_pittrou);
          translate ([15,-15,0]) cylinder(hauteur, d = diam_pittrou);
          translate ([0,40,0]) cylinder(hauteur, d = diam_pittrou);
          translate ([0,-40,0]) cylinder(hauteur, d = diam_pittrou);
          translate ([40,0,0]) cylinder(hauteur, d = diam_pittrou); 
          translate ([-40,0,0]) cylinder(hauteur, d = diam_pittrou);
          translate ([30,30,0]) cylinder(hauteur, d = diam_pittrou);
          translate ([-30,30,0]) cylinder(hauteur, d = diam_pittrou); 
          translate ([-30,-30,0]) cylinder(hauteur, d = diam_pittrou);
          translate ([30,-30,0]) cylinder(hauteur, d = diam_pittrou);
}

3) Le plateau avec petits trous et gros trous :

$fn = 200;

hauteur = 2.5;
diam_ext = 110;
diam_int = 100;
h_plaque = 2.5;
diam_plaque = 105;
largeur = 90;
longueur = 110;
diam_pittrou = 3;
diam_grotrou = 10;


difference () { 
 union () {
    translate ([0,0,0]) cylinder (h_plaque, d = diam_plaque);
     translate ([0,-55,0])
     cube ([largeur, longueur, h_plaque]);
 }
          translate ([0,0,0]) cylinder(hauteur, d = diam_pittrou);
          translate ([0,20,0]) cylinder(hauteur, d = diam_grotrou);
          translate ([0,-20,0]) cylinder(hauteur, d = diam_grotrou);
          translate ([20,0,0]) cylinder(hauteur, d = diam_grotrou); 
          translate ([-20,0,0]) cylinder(hauteur, d = diam_grotrou);
          translate ([15,15,0]) cylinder(hauteur, d = diam_pittrou);
          translate ([-15,15,0]) cylinder(hauteur, d = diam_pittrou); 
          translate ([-15,-15,0]) cylinder(hauteur, d = diam_pittrou);
          translate ([15,-15,0]) cylinder(hauteur, d = diam_pittrou);
          translate ([0,40,0]) cylinder(hauteur, d = diam_pittrou);
          translate ([0,-40,0]) cylinder(hauteur, d = diam_pittrou);
          translate ([40,0,0]) cylinder(hauteur, d = diam_pittrou); 
          translate ([-40,0,0]) cylinder(hauteur, d = diam_pittrou);
          translate ([30,30,0]) cylinder(hauteur, d = diam_grotrou);
          translate ([-30,30,0]) cylinder(hauteur, d = diam_grotrou); 
          translate ([-30,-30,0]) cylinder(hauteur, d = diam_grotrou);
          translate ([30,-30,0]) cylinder(hauteur, d = diam_grotrou);
}

Semaine 7 :

Montage expérimental : colonne de 5cm, glycérol et plateau à gros trous

Impression du plateau à petits trous pour la colonne de 5cm

Petite fuite détectée entre la colonne et le bord de la boite (mais n'a pas affectée l'expérience)

Objectif semaine 8 : Tester le plateau à petits trous. Si montage réussi, créer les pièces pour la colonne de 10cm et chercher un grand récipient.

Cette semaine, nous avons refait un montage avec un tupperware et nous avons réussi à obtenir les 2 flows recherchés avec le même plateau perforant (celui avec les petits trous), en faisant simplement varier le débit du bulleur (débit très faible pour le perfect bubbly flow, et débit fort pour le strombolien). Dans du glycérol 100%, les bulles sont assez lentes pour que l'on puisse mesurer la vitesse.

On pourra donc refaire un dernier montage la semaine prochaine en utilisant autre chose que de la colle pour être sur de n'avoir aucun probleme de fuites, et le montage avec la colonne de 5 cm sera terminé.

Notre prochain objectif est de faire un montage avec la colonne de 10 cm. Pour cela, on a besoin de nouveaux récipients plus larges, d'un nouveau bulleur, et de plus de glycérol :

Pour le glycérol, on va utiliser le même que celui utilisé pour le 1er montage, on aura besoin d'au moins trois litres.
On ira demander un autre bulleur au Fablab de chimie.
Pour les récipients, on a regardé sur le site d'IKEA s'il y avait des tupperwares du même genre mais un peu plus larges, on a trouvé un tupperware qui nous paraît bien :

Lien de la page : https://www.ikea.com/fr/fr/p/ikea-365-boite-de-conservation-av-couvercle-rectangulaire-verre-plastique-s29269074/

Il va falloir qu'on imprime les pièces nécessaires (cylindre et plateau) pour la colonne de 10 cm. On a déjà écrit les codes, donc on pourra le faire en semaine.

Code pour le cylindre :

$fn = 200;

hauteur = 20;
diam_ext = 110;
diam_int = 100;
h_plaque = 3;
diam_plaque = 105;
largeur = 90;
longueur = 110;

difference () {
  cylinder(hauteur, d = diam_ext);
  translate ([0,0,0]) cylinder (hauteur, d = diam_int);
    union () {
        translate ([0,0,3]) cylinder (h_plaque, d = diam_plaque);
          translate ([0,-30,3])
          cube ([largeur, longueur, h_plaque]);
}
}

Code pour le plateau (uniquement celui avec petits trous) :

$fn = 200;

hauteur = 2.5;
diam_ext = 110;
diam_int = 100;
h_plaque = 2.5;
diam_plaque = 105;
largeur = 90;
longueur = 110;
diam_pittrou = 4;


difference () {
 union () {
    translate ([0,0,0]) cylinder (h_plaque, d = diam_plaque);
     translate ([0,-55,0])
     cube ([largeur, longueur, h_plaque]);
 }
          translate ([0,0,0]) cylinder(hauteur, d = diam_pittrou);
          translate ([0,30,0]) cylinder(hauteur, d = diam_pittrou);
          translate ([0,-30,0]) cylinder(hauteur, d = diam_pittrou);
          translate ([30,0,0]) cylinder(hauteur, d = diam_pittrou); 
          translate ([-30,0,0]) cylinder(hauteur, d = diam_pittrou);
          translate ([25,25,0]) cylinder(hauteur, d = diam_pittrou);
          translate ([-25,25,0]) cylinder(hauteur, d = diam_pittrou); 
          translate ([-25,-25,0]) cylinder(hauteur, d = diam_pittrou);
          translate ([25,-25,0]) cylinder(hauteur, d = diam_pittrou);
}

Colonne100mm.stl

Pour les commandes de joint :

nos colonnes sont en plexiglass
le couvercle du tupperware du montage de la petite colonne est en polypropylène
pour le couvercle du 2e montage, il est en plastique mais on ne sait pas lequel précisément : je suis retourné au magasin pour prendre des photos comme référence, et il n'y a pas de détails sur le matériau du couvercle, et je n'ai pas réussi à trouver les détails du produit sur le site du magasin --> http://www.bu-store.com/

Le polypropylène est très dur à coller, très peu de joint peuvent faire l'affaire. Il est recommandé d'utiliser un joint en silicone neutre, comme le DOWSIL 791 --> https://www.dow.com/en-us/pdp.dowsil-791-weatherproofing-sealant.04082594h.html#properties . Ce joint mastic fonctionne à priori sur le plexi et le PP, mais dans les détails, il est seulement indiqué qu'il adhère aux plastiques. Je n'ai pas réussi à trouver de produit qui précise explicitement une adhérence garantie sur plexi ET PP.

L'autre option est d'utiliser un joint compressé en caoutchouc, silicone, teflon ou EPDM. Mais ça voudrait dire qu'il faut mettre en place un système de serrage avec des vis, ce qui peut s'avérer compliqué, comme on n'a plus beaucoup de temps.