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Etude et caractérisation des écoulements dans un champ ultrasonore généré par des transducteurs basse fréquence

par Edith Burgey -

Laboratoires d’accueil :

  • INSTITUT UTINAM - UMR CNRS 6213 -Equipe SRS
  • INSTITUT FEMTO-ST - UMR 6174 - Département Énergie

Contact :

  • Mme Audrey Mandroyan (Institut UTINAM) : audrey.mandroyan chez univ-fcomte.fr
    (+33 381 66 68 65)
  • Mme Magali Barthes (Institut Femto-ST) : magali.barthes chez univ-fcomte.fr
    (+33 381 66 68 64)

Présentation de la thèse :
Ce projet est proposé par l’équipe SRS de l’institut UTINAM et le département Energie de l’Institut FEMTO-ST. Ces deux laboratoires collaborent régulièrement depuis 2006 sur l’investigation des écoulements au sein des réacteurs Sonochimiques. L’utilisation des ultrasons de puissance tente à se développer dans de nombreux procédés industriels (extraction, émulsification, traitement des surfaces…). L’optimisation de ces procédés nécessite une bonne connaissance et une compréhension des phénomènes hydrodynamiques induit par la propagation d’une onde ultrasonore dans un liquide. En effet, cette propagation dans un liquide, pour des fréquences supérieures à 16 kHz, induit la formation de bulles de cavitation qui vont, par leur présence et/ou leur implosion, modifier les écoulements hydrodynamiques au sein des réacteurs. L’objectif principal de ce projet est d’étudier et de caractériser les écoulements engendrés par l’onde ultrasonore et par les phénomènes de cavitation en couplant une approche électrochimique (méthode électrodiffusionnelle et chronoampérométrie avec une fréquence d’acquisition élevée) à une approche optique (Particle Image Velocimetry/ Particle Tracking Velocimetry/ méthodes 3D). La compréhension des mécanismes et la caractérisation des écoulements ne peut se faire qu’en faisant varier de nombreux paramètres comme par exemple la fréquence du transducteur, la puissance transmise, ainsi que les paramètres physico-chimiques du liquide (densité, viscosité…). En synchronisant les appareils de mesure avec les appareils ultrasonores, il serait ainsi possible de décrire le phénomène de manière temporelle, et d’observer les premiers instants de leur apparition. Après avoir effectuée une étude avec des liquides traditionnels utilisés en électrochimie, nous travaillerons dans des liquides non conventionnels, comme les liquides ioniques dont l’utilisation se développe de plus en plus dans le domaine du traitement de surface et qui ont des caractéristiques physicochimiques différentes de l’eau (viscosité très élevée).

Compétences du candidat :
Le Candidat devra avoir de bonnes bases en électrochimie. Des connaissances en acoustique seront également bienvenues. Il devra par ailleurs savoir faire preuve d’autonomie, et avoir un goût prononcé pour l’expérimental.

Positionnement :

  • Stratégie scientifique :
    • La connaissance des écoulements dans un champ ultrasonore est un challenge international qui a de nombreuses applications industrielles possibles (nettoyage, fonctionnalisation des surfaces…)
    • La collaboration étroite entre les deux instituts (Utinam et Femto-st) est un réel atout. L’approche électrochimique couplée à la mécanique des fluides permet une étude poussée et complémentaire des phénomènes. De plus, cette collaboration a déjà donnée lieu à
      • 4 articles de journaux internationaux [1, 2, 7, 8]
      • 1 article de journal national [5]
      • 4 conférences internationales [3, 4, 6, 9]
  • Environnement matériel : Aucun investissement lourd spécifique n’est à prévoir, les principaux moyens de mesures étant déjà disponibles :
    • Moyens de mesures et d’acquisitions électrochimiques, thermiques et électriques
    • Sonotrodes
    • Systèmes de vélocimétrie laser

Références :

  1. Mazue, G., Viennet, R., Hihn, J-Y., Bonnet, D., Barthes, M., Bailly, Y. and Albaïna, I., Influence of a perpendicular liquid flow on a cleaning process using 20 kHz ultrasound : Characterization of the agitation at vicinity of the surface opposite to the transducer. Can. J. Chem. Eng., (2015), Vol. 93, pp. 201–205 [doi : 10.1002/cjce.22079]
  2. Barthès M., Mazue G., Bonnet D., Viennet R., Hihn J-Y., Bailly Y., Characterization Of The Activity Of Ultrasound Emitted In a Perpendicular Liquid Flow Using Particle Image Velocimetry (PIV) And Electrochemical Mass Transfer Measurements, Ultrasonics, (2015), accepté
  3. Mazue G., Orandrou S., Bonnet D., Barthès M., Viennet R., Hihn J-Y., Bailly Y., Influence of an additional liquid flow on the acoustic field induced by power ultrasound (20 and 40 kHz) : experimental and numerical determinations, proc. of 14th European Society of Sonochemistry Meeting, 2-6 Juin 2014, Avignon, France.
  4. Barthès M., Mazue G., Bonnet D., Viennet R., Hihn J-Y., Bailly Y., Characterization of the ultrasound activity in a liquid flow using particles images velocimetry (PIV) and electrochemical mass transfer measurements, proc. International Congress on Ultrasonics (ICU 2013), 2-5 Mai 2013, Singapoure.
  5. Mazue G., Viennet R., Hihn J-Y., Bonnet D., Barthès M., Bailly Y., Albaina I., Study of a 20k Hz power ultrasound field in presence of an external liquid flow : application to in-situ boat hull cleaning, Récents Progrès en Génie des Procédés, N°104, (2013).
  6. Mazue G., Bonnet D., Viennet R., Barthès M., Hihn J-Y., Bailly Y., Modification of the Ultrasound Induced Activity by the Presence of a Liquid Flow in the Acoustic Field. Study at Two Low Frequencies (20 and 40kHz) : Mapping Flow Velocities by Particle Image Velocimetry (PIV) and Electrochemical Mass Transfer Measurements, proc. of 13th European Society of Sonochemistry Meeting, 1-5 Juillet 2012, Lviv, Ukraine.
  7. A. Mandroyan, M.-L. Doche ; J.-Y.Hihn, R. Viennet, Y. Bailly, L. Simonin, Modification of the ultrasound induced activity by the presence of an electrode in a sono-reactor working at two low frequencies (20 and 40 kHz). Part II : Mapping flow velocities by particle image velocimetry (PIV), Ultrasonics Sonochem., (2009), Vol. 16, pp. 97-104 [DOI : 10.1016/j.ultsonch.2008.05.004]
  8. A. Mandroyan ; R. Viennet ; Y. Bailly ; M.-L. Doche ; J.-Y. Hihn, Modification of the ultrasound induced activity by the presence of an electrode in a sonoreactor working at two low frequencies (20 and 40 kHz). Part I : Active zone visualization by laser tomography, Ultrasonics Sonochem., (2009), Vol. 16, pp. 88-96 [DOI : 10.1016/j.ultsonch.2008.05.003]
  9. A. Mandroyan, R. Viennet, Y. Bailly, M-L. Doche, J-Y. Hihn, Characterisation of bubble cavitation clouds by laser tomography, proc. of 10th European Society of Sonochemistry Meeting, 4-8 Juin 2006, Hamburg, Germany.

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