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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 : 

 

image.png

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.

IMG_0598[3704].jpg

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 :

IMG_0595[3706].jpg

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;

jeu = 0.1;

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 () {

            cylinder (h_plaque, d=diam_plaque);

                translate ([0,-30,3])

                cube ([largeur, longueur, h_plaque]);

}

}

IMG_0621[3737].jpg

IMG_0623[3739].jpg

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.

Objectif de la semaine 5 : Créer les différents plateaux perforants coulissants (2 avec des trous de même taille et 2 avec deux tailles de trous) grâce à l'Inkscape en ajoutant la partie du programme déjà crée et en y ajoutant les cercles + embout du tube dans lequel les plateaux perforants seront insérés grâce à l'opensacan.

Découpe laser d'un couvercle supplémentaire à ajouter sur le couvercle préexistant afin d'améliorer l'étanchéité. 

Objectif de la semaine 6 : Tester le montage avec les plateaux perforants et l'eau. recherche des fluides à utiliser selon leur viscosité.