[PDF] THE SE MOUVEMENT DE BULLES DANS UN CHAMP

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N° d'ordre 88 ISAL 0062 Année 1988

THE SE

présentée devant L'INSTITUT NATIONAL DES SCIENCES APPLIQUEES DE LYON pour obtenir

LE GRADE DE DOCTEUR SPECIALITE ACOUSTIQUE

par

Christian CACHARD

Ingénieur E.N.S.A.I.S.

MOUVEMENT DE BULLES DANS UN CHAMP

ULTRASONORE INTENSE

DEBULLAGE DES LIQUIDES

soutenue le 16 novembre 1988 devant la commission d'examen jury: MM. ALAIS P.

GAZANHES C.

GOUTIE R.

DELHAYE J.M.

FERNANDFZ G.

GIMENEZ G.

ORILLON M.

(Président) (Rapporteur) (Rapporteur)

FEVRIER 1988

INSTITUT NATIONAL DES SCIENCES APPLIQUEES DE LYON

Directeur : R.HAMELIN

Chefs de Département :

C.GUILLAUD, Professeur

L.CRONENBERGER, Professeur

N.MONGEREAU, Professeur

H.KLEIMANN, Professeur

A.LALLEMAND, Professeur

C.MARTY, Professeur

M.GODET, Professeur

A.LAUGIER, Professeur

R.ARNAL, Professeur

1•cycle

Biochimie

Génie Civil et Urbanisme

Génie Electrique

Génie Energétique

Génie Mécanique Construction

Génie Mécanique Développement, pi

Génie Physique Matériaux

Informatique

Professeurs

R.ARNAL

J.BAHUAUD

B.BALLAND

D.BERTHE

M.BOIVIN

H.BOTTA

G.BOULAYE

J.BOUSQUET

J.P.CHANTE

M.CHEVRETON

B.CLAUDEL

L.CRONENBERGER

A.DOUTHEAU

L.EYRAUD

G.FANTOZZI

J.FAVREL

Y.FETIVEAU

P.FLEISCHMANN

L.FRECON

R.GAUTHIER

M.GERY

G.GIMENEZ

P.GOBIN

M.GODET

P.GONNARD

R.GOUTTE

G.GRANGE

G.GUENIN

C.GUILLAUD

G.GUILLOT

C.GUITTARD

J.L.GUYADER

R.HENRY

INFORMATIQUE APPLIQUEE

MECANIQUE DES SOLIDES

PHYSIQUE

DE LA MATIERE

MECANIQUE DES CONTACTS

MECANIQUE DES SOLIDES

GENIE CIVIL ET URBANISME (METHODES)

INFORMATIQUE APPLIQUEE

THERMOCHIMIE MINERALE

ELECTRONIQUE DE PUISSANCE

ETUDE DES MATERIAUX

CINETIQUE ET GENIE CHIMIQUES

CHIMIE BIOLOGIQUE

CHIMIE ORGANIQUE

GENIE ELECTRIQUE ET FERROELECTRICITE

GEMPPM*

INFORMATIQUE APPLIQUEE

GENIE ELECTRIQUE ET FERROELECTRICITE

GEMPPM*

DEVELOPPEMENT ET LANGAGES INFORMATIQUES AVANCES

PHYSIQUE DE LA MATIERE

GENIE

CIVIL ET URBANISME (EQUIPEMENT DE L'HABITAT)

TRAITEMENT DU SIGNAL ET ULTRASONS

GEMPPM*

MECANIQUE DES CONTACTS

GENIE ELECTRIQUE

TRAITEMENT

DU SIGNAL ET ULTRASONS

GENIE ELECTRIQUE

GEMPPM*

TRAITEMENT DU SIGNAL ET ULTRASONS

PHYSIQUE·DE LA MATIERE

DEVELOPPEMENT ET LANGAGES INFORMATIQUES AVANCES

VIBRATIONS-ACOUSTIQUE

MECANIQUE DES STRUCTURES

* GROUPE D'ETUDES METALLURGIE PHYSIQUE ET PHYSIQUE DES MATERIAUX février 88

J.JOUB-ERT

JF.JULLIEN

A.JUTARD

H.KLEIMANN

M.LALANNE

A . LALLEMAND

P.LAREAL

A.LAUGIER

CH.LAUGIER

P.LAVIOLETTE

C.LESUEUR

Y.MARTINEZ

C.MARTY

H.MAZILLE

N.MONGEREAU

G.MONNIER

P.NARDON

A.NAVARRO

H.PACHECO

J.P.PASCAULT

J.PERA

G.PERACHON

M.PERDRIX

J.PEREZ

E.PERNOUX

P.PINARD

D.PLAY

P.PREVOT

R.REYNAUD

M.RICHARD

E.RIEUTORD

R.RIVIERE

J.ROBIN

M.ROLIN

J.F.SACADURA

L.SICARD

F.STOEBER

M.THEOLIER

J.TUSET

R.UNTERREINER

J.VERON

P.VUILLERMOZ

GENIE MECANIQUE

BETONS ET STRUCTURES

AUTOMATIQUE INDUSTRIELLE

GENIE ELECTRIQUE ET FERROELECTRICITE

MECANIQUE DES STRUCTURES

ENERGETIQUE

ET AUTOMATIQUE

GENIE CIVIL ET URBANISME (GEOTECHNIQUE)

PHYSIQUE

DE LA MATIERE

PHYSIOLOGIE ET PHARMACODYNAMIE

BIOLOGIE

VIBRATIONS-ACOUSTIQUE

INFORMATIQUE APPLIQUEE

ETUDE DES PROCEDES DE FABRICATION

PHYSICOCHIMIE INDUSTRIELLE

GENIE CIVIL (GEOTECHNIQUE)

PHYSICOCHIMIE INDUSTRIELLE

BIOLOGIE

CHIMIE PHYSIQUE APPLIQUEE ET ENVIRONNEMENT

CHIMIE BIOLOGIQUE

MATERIAUX MACROMOLECULAIRES

SOLIDES ET MATERIAUX MINERAUX

THERMOCHIMIE MINERALE

TRAITEMENT

DU SIGNAL ET ULTRASONS

GEMPPM*

GEMPPM*

PHYSIQUE DE LA MATIERE ET PHYSIQUE INDUSTRIELLE

CONCEPTION

ET ANALYSE DE SYSTEMES MECANIQUES

INFORMATIQUE APPLIQUEE

ENERGETIQUE

ET AUTOMATIQUE

ENERGETIQUE ET AUTOMATIQUE

MECANIQUE DES FLUIDES ET THERMIQUE

TRAITEMENT DU SIGNAL ET ULTRASONS

MICROBIOLOGIE

PHYSICOCHIMIE INDUSTRIELLE

PHYSICOCHIMIE INDUSTRIELLE

MECANIQUE DES FLUIDES ET THERMIQUE

MECANIQUE

MICROBIOLOGIE

METALLURGIE

ET TRAITEMENTS THERMIQUES

SOLIDES ET MATERIAUX MINERAUX

TRAITEMENT DU SIGNAL ET ULTRASONS

CHIMIE PHYSIQUE APPLIQUEE ET ENVIRONNEMENT

PHYSIQUE DE LA MATIERE

Directeurs de recherche C.N.R.S.:

P.CLAUDY

A.GROUILLER

M.MURAT

A.NOUAILHAT

n "eN :v•·- • \ '-1 Il. c ) . '. /,t.:. 1'-' 1 c /'.;. Il ( .vc zc

THERMOCHIMIE MINERALE

CHIMIE

BIOLOGIQUE

SOLIDES

ET MATERIAUX MINERAUX

PHYSIQUE DE LA MATIERE

S; \)(. (\

l. .. Ce travail a été réalisé au sein du Laboratoire de Traitement du Signal et Ultrasons (Unité Associée au CNRS) de l'Institut National des Sciences Appliquées de Lyon. J'adresse mes remerciements

à Monsieur

le Professeur GOUTTE, directeur du laboratoire, qui m'a accueilli dans son équipe et qui me fait l'honneur de rapporter ce travail.

Je tiens

à témoigner toute ma gratitude à Monsieur le professeur

Gérard GIMENEZ qui a assuré

la direction scientifique de ce travail. Qu'il veuille trouver ici l'expression de ma plus sincère reconnaissance pour les encouragements et le constant soutien qu'il m'a prodigué.

Je suis très sensible

à l'honneur que me fait Monsieur Claude

GAZANHES, directeur du laboratoire de Mécanique et d'Acoustique du CNRS, d'avoir bien voulu être rapporteur de ce mémoire. Je remercie vivement Messieurs Pierre ALAIS, Jean-Marc DELHAYE, Gilles FERNANDEZ, Marc ORILLON pour l'intérêt qu'ils ont manifesté envers· mes travaux, et l'honneur qu'ils me font d'examiner et de juger cette thèse.

Je remercie Monsieur

Lucien DEVILLE pour ses réalisations

techniques qu'il a toujours réalisées avec bonne humeur et pour ses encouragements permanents.

Mes remerciements vont également

à Monsieur Daniel DRA!N, avec

qui il est très agréable de travailler, pour son amitié et sa bienveillance.

Je remercie Mademoiselle Aurore

FROISSARD pour le soin qu'elle a

apporté dans la dactylographie de ce document.

Je tiens aussi

à remercier Monsieur Didier VRAY et tous mes

collègues du laboratoire qui m'ont apporté avec sympathie aides et conseils.

J'adresse

des remerciements particuliers à la Direction des Recherches Etudes et Techniques (groupe Mécanique et Physique des

Fluides)

pour son soutien financier et la patience qu'elle a manifestée tout au long d'une étude qui a considérablement débordé de son cadre initial.

Â. mes Parents

INTRODUCTION 1

PREMIERE PARTIE:

ETUDE BIBLIOGRAPIDQUE ET THEORIQUE 9

1. LA BULLE 13

1.1. LE MILIEU LIQUIDE-GAZ 13

1.2. LA PARTICULE GAZEUSE: LA BULLE 14

1.3. LA PRODUCTION DE BULLES 15

1.3.1. Formation de bulles à travers un orifice 17

1.3.2. Formation à l'extrêmité d'un long tube

capillaire 20

1.3.3. Etudes complémentaires 22

1.4. LA FORME DE LA BULLE ET SA VITESSE D'ASCENSION 23

1.4.1. Vitesse limite des bulles de rayon inférieur

à 500 1J rn 25

1.4.1.1. Nombres de Reynolds inférieurs à l'unité 26

1.4.2.2. Nombres de Reynolds supérieurs à l'unité 27

1.4.2. La phase transitoire 30

1.5. MESURE DES CARACTERISTIQUES D'UNE BULLE 32

1.5.1. Mesure du diamètre 32

1.5.2. Mesure de la vitesse propre d'ascension

d'une bulle 34

1.5.3. Mesures acoustiques 3 4

1.5.3.1.

Effet Doppler 35

1.5.3 .2.

Autres techniques acoustiques 3 7

1.5.4. V élocimétrie laser 3 8

2. INTERACTION ENTRE UNE ONDE ULTRASONORE ET DES

BULLES

39

2.1. MOUVEMENT RADIAL D'UNE BULLE 3 9

2.2. LA DIFFUSION REDRESSEE 43

2.3. LA PRESSION DE RADIATION 47

2.3.1. Introduction 4 7

2.3.2. Définition de la pression de radiation 48

2.3.3. Pression de radiation s'exerçant sur une

surface fermée 49

2.3.4. Pression de radiation s'exerçant sur une

sphère 54

2.3.5. Pression de radiation sur de petites bulles

dans un liquide 58

2.3.6. Pression de radiation sur une bulle

résonnante 60

2.3. 7. Pression de radiation au 1er ordre 62

2.3.8. Introduction de la conduction thermique 63

2.3.9. Conclusion concernant la pression de

radiation agissant sur une petite bulle 66

2.3.10.Mouvement d'une bulle sous l'action de la

pression de radiation 68 2.4.

LES COURANTS ACOUSTIQUES 7 3

2.4.1. Equations hydrodynamiques d'un fluide

visqueux 73

2.4.2. Développement au deuxième ordre 7 5

2.4.3.

Courant de Eckart 7 8

2.4.4. Action

du courant de Eckart sur le mouvement d'une bulle 81

2.5.LACOALESCENCE 87

2.6. CONCLUSION 8 8

DEUXIEME PARTIE:

METHODES ET MOYENS EXPERIMENTAUX 91

1. GENERATEURS DE BULLE 9 5

1.1. CONTRAINTES 95

1.2. "SA VOIR-FAIRE" DES TUBES CAPILLAIRES 97

1.3. LE POUSSE-SERINGUE 9 8

1.4. LE RESERVOIR D'ALIMENTATION 100

1.5. GENERATEUR DE BULLES A ULTRASONS 102

1.6. DEPLACEMENT DU TUBE CAPILLAIRE 1 04

1.6.1. Translation du tube capillaire 105

1.6.2. Rotation du tube capillaire 105

1.7. CONCLUSION 107

2. MESURE DE LA TAILLE DES BULLES 109

2.1. PHOTOGRAPHIE DE LA BULLE 1 0 9

2.1.1. Définition des paramètres utilisés en

photographie 109

2.1.2. L'éclairage 110

2.1.3. Caractéristiques et réglages de

1 'installation photographique 112

22. FREQUENCE DE RESONANCE 115

2.2.1. Principe de la mesure 115

2.2.2. Dispositif expérimental 116

2.2.3. Recherche automatique de la fréquence

de résonance 121
2.3.

MESURE DE LA VITESSE DE DEPLACEMENT DE BULLES 125

2.3.1. Méthode chronométrique 126

2.3.2. V élocimètre Doppler ultrasonore 12 7

2.3.2.1. Dispositif expérimental 128

2.3.2.2. Traitement numérique des signaux 131

2.3.2.3. Temps maximum disponible pour

effectuer une mesure 13 6

2.3.2.4. Vélocimètre

à une dimension 13 9

2.3.2.5. Vélocimètre

à trois dimensions 141

2.3.2.6. Limites d'utilisation de ces vélocimètres

ultrasonores Doppler 1 5 2 3.

EVALUATION DES EFFETS D'UNE ONDE ULTRASONORE

SUR

LE MOUVEMENT DE BULLES 153

3.1. BUT ET CONTRAINTES 15 3

3.2. COMPOSANTES DU VECTEUR VITESSE DANS LE REPERE RB 15 5 3.3.

DISPOSITIF EXPERIMENTAL 156

3.4. EXPERIENCE COMPLEMENTAIRE 16 0

TROISIEME PARTIE:

RESULTATS 165

1. LE GENERATEUR DE BULLES 16 9

2.

RELATION VITESSE LIMITE D'ASCENSION-RAYON DE

LA BULLE 173

3. FREQUENCE DE RESONANCE D'UNE BULLE 1 7 7

3.1. VERIFICATION

DES LOIS DE PROPORTIONNALITE 1 7 7

3.2. DETERMINATION

AUTO MA TIQUE DE LA COURBE DE

RESONANCE D'UNE BULLE 1 7 9

4. CARACTERISTIQUES DES TRADUCTEURS ULTRASONORES

ET DUCHAMP ACOUSTIQUE EMIS 1 8 3

4.1.

LES 1RADUCIEURS UL1RASONORES 18 3

4.2. LE CHAMP

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