Écoulement de mousse en milieu confiné inhomogène

We present an experimental study of a 2D foam, composed of a single monolayer of bubbles, forced to flow in a confining Hele-Shaw cell, which models an open fracture. A defect localized in the center of the cell, increasing or decreasing locally its gap, strongly disturbs the foam flow. The transparency of the cell allows to directly observe and monitor the bubbles’ motion and deformation. We therefore performed a systematic study of the average bubble velocity and deformation fields, as well as the spatial distribution of the bubble rearrangements, as a function of the control parameters of the experiments: the imposed driving velocity, the cell and defect geometry (gap and height), as well as the bubble size and liquid foam fraction (controlling the foam rheology). For a localized constriction, we observe a strong fore-aft asymmetry of the velocity field, with an extended region downstream, where the foam velocity is much larger than the imposed driving one. We confirm here the elastic origin of such "overshoot" » or "negative-wake", typical of viscoelastic fluid flows around an obstacle. We also show a linear correlation between longitudinal profiles of velocity and deformation in the regions far from the obstacle, both upstream (where the foam is loaded elastically) and downstream (where it relaxes). We furthermore show the importance of the friction against the wall plates for strong confinement and/or flow rates, leading to positive wakes after a local increase of the gap cell, coupled with a transversal orientation of the bubbles, as well as to strong unusual bubbles distortions. In addition, we quantify the defect permeability, by computing the evolution of the bubble velocity within the defect as a function of its height. Finally, in a complementary study, within an international collaboration, we have investigated the interfacial dynamics of a simple fluid, forced to flow through a local partial obstacle in a confining cell. We show that the two-phase interface displacements are strongly affected by the imposed flow rate, leading to asymmetric imbibition–drainage hysteresis cycles.Nous présentons une étude expérimentale de l’écoulement d’une mousse 2D (une monocouche de bulles) confinée dans une cellule de Hele-Shaw. Le milieu modélise une fracture ouverte rendue inhomogène par la présence d’un défaut local réduisant ou augmentant l’écartement de la cellule. Ce défaut fait varier la perméabilité du milieu et perturbe l’écoulement. Le suivi des bulles par transparence de la cellule permet alors la mesure des champs moyens de vitesse et de déformation, ainsi que la répartition des événements plastiques. Ces champs sont ensuite analysés en fonction des différents paramètres de contrôle du milieu, de l’écoulement, du défaut et de la mousse, que nous avons fait varier extensivement dans de nombreuses expériences. Nous retrouvons la forte asymétrie amont-aval caractéristique des écoulements de fluides viscoélastiques en présence d’un obstacle plein, et confirmons son origine élastique (contrôlée par la fraction liquide de la mousse). Nous montrons une forte corrélation linéaire des profils longitudinaux de vitesse et de déformation dans les régions loin en amont (lorsque la mousse se charge élastiquement) et en aval (lorsqu’elle relaxe) de l’obstacle plein ou partiel. Nous mettons également en évidence l’importance de la friction contre les plaques pour des confinements ou débits forts, faisant émerger des sillages positifs, à la suite d’une expansion locale, couplés à une orientation des bulles orthogonale à l’écoulement, ou encore des distorsions particulières de bulles. Par ailleurs, nous quantifions la perméabilité du défaut en fonction de l’écartement, en étudiant le rapport de la vitesse dans le défaut et de la vitesse moyenne dans la cellule loin du défaut. Nous examinons enfin, dans une étude indépendante, la dynamique de l’interface d’un fluide simple confiné, entrant et sortant d’un obstacle local partiel, en mettant en évidence une hystérésis lors de cycles d’imbibition et de drainage