Interaction between power ultrasound and complex fluids

Interaction entre ultrasons de puissance et fluides complexes

Thibaut Dochy (1)

1 IMFT - Institut de mécanique des fluides de Toulouse

The evolution of an initially homogeneous solution consisting of two species subjected to a thermal gradient which generates a mass transfer, which can lead to the separation species from the binary fluid, is studied. The configuration chosen to study the separation is a rectangular (or parallelepipedic) cell, horizontal and placed in the gravitational field. The presence of a piezoelectric source on one of the vertical walls of the cavity makes it possible to generate a stationary flow on a large scale. The flow is induced by the propagation of ultra-sonic waves within the viscous fluid : the dissipation of the acoustic energy of the wave within the fluid is called Eckart streaming. We seek to optimize the separation by combining thermal gradient and acoustic source. The first part consists of the study of the isothermal flow generated by the ultrasonic wave in a monoconstituent fluid. After calculating the acoustic intensity field with the Rayleigh integral, the profile is implemented in a Comsol Multiphysics finite element code. The numerical results are compared with previous experimental results. In a second part, we consider a cavity containing a binary fluid. A configuration heated from the top is privilegied to allow the insertion of an acoustic source. The separation (difference of mass fraction between the two ends of the cell) is determined analytically using the Maple software as a function of the control parameters of the problem. 2D and 3D numerical simulations showed a good agreement between the analytical and numerical results, for a constant acoustic parameter. The problem considered depends on eight dimensionless parameters. Three of them are specific to the nature of the binary fluid : the Lewis number Le, the Prandtl number Pr and the separation factor ψ. There are then two control parameters, the thermal Rayleigh number Ra and the adimensional acoustic force A. Finally, the other dimensionless parameters are the two aspect ratios of the cavity, as well as the relative thickness of the beam.

On étudie l'évolution d'une solution initialement homogène constituée de deux espèces soumises à un gradient thermique qui génère un transfert de matière, ce qui peut conduire à la séparation des espèces du fluide binaire. La configuration choisie pour étudier la séparation est une cellule rectangulaire (ou parallélépipédique), horizontale et placée dans le champ de pesanteur. La présence d'une source piézo-électrique, sur l'une des parois verticales de la cavité, permet de générer un écoulement stationnaire à grande échelle. L'écoulement est induit par la propagation d'ondes ultrasonores au sein du fluide visqueux : la dissipation de l'énergie acoustique de l'onde au sein du fluide porte le nom d'Eckart streaming. On cherche à optimiser la séparation en combinant gradient thermique et source acoustique. La première partie consiste en l'étude de l'écoulement isotherme généré par l'onde ultrasonore dans un fluide mono-constituant. Après avoir calculé le champ d'intensité acoustique avec l'intégrale de Rayleigh, le profil est implémenté dans un code aux éléments finis Comsol Multiphysics. Les résultats numériques sont comparés avec des résultats expérimentaux antérieurs. Dans une seconde partie, on considère une cavité contenant un fluide binaire. On détermine analytiquement, à l'aide du logiciel Maple, la séparation (différence de fraction massique entre les deux extrémités de la cellule) en fonction des paramètres de contrôle du problème. Des simulations numériques 2D et 3D ont montré un bon accord entre les résultats analytiques et numériques, pour un paramètre acoustique constant et un chauffage par le bas ou par le haut de la cellule. Le problème considéré dépend alors de huit paramètres adimensionnels. Trois d'entre eux sont propres à la nature du fluide binaire : le nombre de Lewis Le, de Prandtl Pr et le facteur de séparation ψ. Il y a ensuite deux paramètres de contrôle, le nombre de Rayleigh thermique Ra et la force acoustique adimensionnelle A. Enfin, les autres paramètres adimensionnels sont les deux rapports d'aspect de la cavité, ainsi que l'épaisseur relative du faisceau acoustique

Mots clés: Acoustic streaming; Thermogravitation; Soret effect; Species separation; Binary fluid; Acoustic waves

Mots clés: Acoustic streaming; Thermogravitation; Effet Soret; Séparation; Fluide binaire; Ondes ultrasonores

Domaines: Mécanique des fluides [physics.class-ph]

Thibaut Dochy. Interaction entre ultrasons de puissance et fluides complexes. Mécanique des fluides [physics.class-ph]. Université Paul Sabatier - Toulouse III, 2018. Français. ⟨NNT : 2018TOU30298⟩. ⟨tel-02392921⟩