L'approche microscopique: l'hypothèse de ségrégation des espèces autour de la bulle
Légère introduction
Lors de l'application d'ultrasons dans l'eau, un nuage de bulles apparaît. Ce nuage semble très désorganisé, les bulles ne font pas toutes la même taille, leurs oscillations ne sont pas en phase, et leur densité spatiale dans le fluide est très différente. Mais un phénomène à intrigué, et intrigue encore de nombreux chercheurs: l'émission de lumière par les bulles. Etonnant non? Ces bulles convertissent en fait le son en lumière, en flash de lumière pour être plus précis. C'est la MBSL (Multi Bubble SonoLuminescence).
Pour étudier ce phénomène d'émission de lumière par des bulles de cavitation, Gaitan & al. ont mis au point un système permettant de faire léviter une bulle unique. Ce montage à permis de stabiliser dans l'espace et dans le temps ce phénomène. Ainsi, la bulle est "coincée" et peut faire l'objet de nombreuses expérimentations afin de décortiquer les mécanismes menant à l'émission de lumière par cette bulle unique. C'est la SBSL (Single Bubble SonoLuminescence). Ce principe de montage a été repris par de nombreuses équipes pour étudier cette bulle de sonoluminescence unique, et c'est ce que nous faisons également, à la différence que nous nous intéressons à l'environnement de la bulle, non à l'intérieur. De notre point de vue, l'émission de lumière n'est qu'une preuve de sa stabilité. Et notre hypothèse, menant à une ségrégation d'espèces autour de la bulle, découle des résultats de ces différentes expérimentations sur la SBSL. Nous nous basons essentiellement sur sa dynamique.
Une dynamique de bulle hors du commun
La bulle de cavitation possède, pendant quelques cycles dans le cadre d'un champ multi-bulles, une dynamique exceptionnelle. Lors de la lévitation acoustique d'une bulle unique de sonoluminescence, nous pouvons maintenir ce comportement pendant quelques heures, et s'intéresser ainsi à l'effet engendré sur le voisinage proche.
Notre hypothèse repose sur la dynamique de la bulle, et notamment sur la phase où elle s'effondre sur elle même. Le graphique ci-dessous montre cette dynamique. En ordonnée à gauche, le rayon de la bulle en micromètres, en ordonnée à droite l'amplitude de l'onde (sinusoïdale) de pression, et en abscisse le temps.
C'est une dynamique "classique": les valeurs, notamment les valeurs extrêmes du rayon peuvent être différentes, mais le comportement ne change pas.
Sur ce graphique, deux courbes: l'une représentant l'onde sinusoïdale de pression à laquelle est soumise la bulle, l'autre représentant l'évolution du rayon de la bulle. On voit clairement que la bulle ne réagit pas linéairement. Celà est dû à la fréquence et à l'amplitude de l'onde de pression. Décomposons cette dynamique:
- *I* La pression diminue, la bulle augmente son rayon car la pression du gaz à l'intérieur est supérieure à celle imposée par le fluide.
- *II* La pression, maintenant arrivée à son minimum, augmente. Mais la bulle continue à croitre quelques instants par inertie (cavitation inertielle).
- *III* Ensuite, l'évolution inertielle de la bulle ne peut plus contrecarrer la pression du fluide qui a trop augmentée. Le gaz contenu dans la bulle est à ce stade à très faible pression. Ainsi, le delta de pression intérieur / extérieur de la bulle est tellement grand que la bulle va s'effondrer sur elle même. Cet effondrement est extrême car l'interface de la bulle va subir une accélération supérieure à 10^9g. Cette accélération pourrait être comparée, à titre d'exemple, aux accélérations présentes dans les ultra-centrifugeuses qui sont de l'ordre de 10^6g. C'est sur cette phase de l'évolution que nous basons notre hypothèse. A la fin de cette phase la bulle va émettre un flash de lumière pendant quelques picosecondes. Le gaz à l'intérieur de la bulle a tellement été compressé qu'une partie est sous forme plasma. La température qui règne dans la bulle est encore indéterminée, mais de récentes études ont mesurées la température de la surface de la bulle: 15000K!!!
- *IV* La bulle rebondie sur elle-même à sa fréquence de résonnance, autour d'une valeur proche de son "rayon ambient". Elle ne peut effectivement pas encore croitre car la pression continue d'augmenter.
- *V* La bulle oscille de moins en moins, retrouvant son rayon ambient, puis le cycle se répète, avec une reproductibilité digne d'une horloge suisse, si je puis me permettre. Je me permet d'ailleurs.
Simulations numériques
En amont de mes travaux de thèse, des modèles numériques ont été mis au point afin d'appréhender un peu plus quantitativement l'effet de ségrégation autour de la bulle de cavitation. Histoire d'avoir une idée des échelles auxquelles nous seront confrontés. Nous avons donc commencé par retrouver la dynamique du rayon de la bulle, puis les termes de pression et d'accélération ont été simulés. Voici les résulltats.
Dynamique de bulle
En ordonnées, le rayon de la bulle en micromètres. En abscisses, un temps adimensionnel où 1 correspond à une période acoustique.
Pression à l'interface
En ordonnées, la pression à l'interface en Pa. En abscisse, un temps adimensionnel où 1 correspond à une période acoustique.
Accélération de l'interface
En ordonnées, l'accélération en m.s^-2. En abscisse, un temps adimensionnel où 1 correspond à une période acoustique.
Hypothèse de ségrégation des espèces
On le voit, les simulations mettent en évidence des accélérations énormes, ainsi qu'une grande plage de variation de pression, dû justement à la présence de telles accélérations. Notre hypothèse est basée sur cette constation, il y a présence, durant un cours instant, d'un gradient de pression plus que conséquent autour de la bulle. Il y aura donc diffusion de pression, ainsi notre bulle se rapproche du comportement d'une ultra-centrifugeuse, où la loi de diffusion d'espèces de Fick doit prendre en compte cet effet croisé de la pression. On pourrait donc imaginer la bulle comme un sur-concentrateur local. Mes travaux de thèse sont destinés à mettre en évidence cette ségrégation des espèces autour de la bulle dûs aux très fortes accélérations de la bulle. Nous sommes actuellement en train de soumettre une publication sur le modèle numérique qui nous a permis de simuler ce phénomène. Pour l'instant, pas de graphiques sur ce site. Concernant l'expérimentation envisagée pour effectuer les mesures, allez voir la page Fluorescence Induite par Plan LASER autour d'un bulle unique de cavitation.
Lien vers l'experimentation
Romain GROSSIER Last modified: Wed Jan 04 03:58:44 Paris, Madrid 2006