Étude expérimentale de la ségrégation d`un liquide binaire par une

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THÈSE
présentée
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LE TITRE DE DOCTEUR DE L'INSTITUT NATIONAL POLYTECHNIQUE DE TOULOUSE
École doctorale : TYFEP Énergétique et Dynamique des Fluides
Spécialité : Dynamique des Fluides
Par M. GROSSIER Romain
Titre de la thèse : ÉTUDE EXPÉRIMENTALE DE LA SÉGRÉGATION D'UN LIQUIDE
BINAIRE PAR UNE BULLE DE CAVITATION ACOUSTIQUE
Soutenue le 1er Décembre 2006 devant le jury composé de :
M. GALAUP Jean-Pierre Président
Mme ESPITALIER Fabienne Directeur de thèse
M. DUBUS Bertrand Rapporteur
M. GRUY Frédéric Rapporteur
M. GALAUP Jean-Pierre Membre
Mme HASSOUN Myriam Membre
M. LOUISNARD Olivier Membre
Mme WILHELM Anne-Marie Membre

Table des matières
Table des matières 1
Liste des figures 5
Liste des tableaux 9
Liste des symboles 11
1 Introduction à l’étude. 13
1.1 Notions sur la cristallisation. ........................ 13
1.1.1 Préambule. ............................. 13
1.1.2 Diagramme d’état d’un corps pur. ................. 14
1.1.3 La nucléation. ............................ 16
1.2 Cristallisation assistée par ultrasons. ................... 19
1.3 Hypothèse de ségrégation d’espèces. .................... 22
1.4 Apports de cette étude. ........................... 23
2 Cavitation inertielle et sonoluminescence. 27
2.1 Dynamique de la bulle de cavitation. ................... 27
2.1.1 Notion de rayon ambiant. ..................... 28
2.1.2 Seuil de Blake. ........................... 29
2.1.3 Mouvement en présence d’une pression oscillante. ........ 32
2.1.4 Complexité des dynamiques de bulle. ............... 36
2.2 La diffusion rectifiée. ............................ 38
2.2.1 Diffusion de gaz à une interface liquide / gaz. .......... 38
2.2.1.1 La loi de Fick. ...................... 38
2.2.1.2 La loi de Henry. ..................... 39
2.2.2 Dissolution naturelle d’une bulle au repos. ............ 41
2.2.3 Cas de la cavitation. ........................ 43
2.2.3.1 Effet de surface. ..................... 43
2.2.3.2 Effet de couche. ...................... 44
2.2.3.3 Calcul du seuil du phénomène de diffusion rectifiée. . . 45
2.3 La SL : un phénomène largement étudié. ................. 49
2.3.1 La sonoluminescence : SL. ..................... 49
1

Table des matières
2.3.1.1 Espace des paramètres de la SL. ............ 51
2.3.1.2 Dynamique d’une bulle « sonoluminescente ». ..... 52
2.4 Conclusions du chapitre. .......................... 55
3 Diffusion de pression / ségrégation / cristallisation. 57
3.1 Théorie de la ségrégation. ......................... 59
3.1.1 Un problème de transport couplant convection et diffusion. . . . 59
3.1.2 Solution analytique du problème. ................. 60
3.2 Prédictions du modèle. ........................... 61
3.2.1 Approche qualitative. ........................ 61
3.2.2 Application à des nanoparticules de cuivre. ............ 62
3.3 Mécanisme de nucléation homogène en milieu cavitant. ......... 65
3.4 Cas expérimental choisi. .......................... 67
4 La Fluorescence Induite par Plan Laser (PLIF). 69
4.1 Fluorescence et absorption. ......................... 69
4.1.1 Les états énergétiques d’une molécule et le diagramme de Jablonski. 70
4.1.1.1 Le Diagramme de Jablonski. ............... 70
4.1.1.2 L’absorption d’un photon. ................ 71
4.1.1.3 Relaxation vibrationnelle et conversion interne. . . . . 71
4.1.1.4 Le croisement intersystème et la phosphorescence. . . . 72
4.1.1.5 La fluorescence. ...................... 72
4.1.1.6 Le « quenching », ou l’effet de l’environnement. . . . . 72
4.1.1.7 Photo-blanchiment et photo-dégradation. ........ 73
4.1.2 Les paramètres qui en découlent. ................. 74
4.1.2.1 Le rendement quantique de fluorescence Φ........ 74
4.1.2.2 Le décalage de Stokes. .................. 74
4.1.2.3 Les spectres d’absorption et d’émission. ........ 74
4.2 Les nanoparticules de semiconducteurs : des traceurs fluorescents pro-
metteurs. .................................. 75
4.2.1 Différents types de traceurs. .................... 76
4.2.2 Les nanocristaux de semi-conducteurs. .............. 76
4.2.2.1 Des propriétés optiques liées à la taille. ......... 76
4.2.2.2 Constitution des nanocristaux de semi-conducteurs. . . 77
4.2.2.3 Des spectres absorption / fluorescence avantageux. . . 79
4.2.2.4 Autres propriétés intéressantes. ............. 79
4.3 La loi de Beer-Lambert. .......................... 79
5 Faisceaux gaussiens et optique matricielle. 83
5.1 Optique géométrique et matrices ABCD. ................. 83
5.1.1 Optique géométrique paraxiale et transformations. ........ 83
5.1.2 Matrices ABCD. .......................... 85
5.1.3 Matrices ABCD et systèmes optiques. ............... 85
5.1.4 Formalisme ABCD et ondes sphériques. .............. 86
5.1.5 Éléments optiques astigmates. ................... 87
5.2 Équation d’onde et faisceaux gaussiens. .................. 87
5.2.1 Équation d’onde paraxiale. ..................... 87
2

Table des matières
5.2.2 Validité de l’hypothèse paraxiale. ................. 88
5.2.3 Onde sphérique paraxiale. ..................... 88
5.2.4 Le rayon de courbure complexe q. ................. 88
5.3 Propagation de faisceaux gaussiens. .................... 90
5.3.1 Propagation en champ libre. .................... 90
5.3.2 Focalisation d’un faisceau. ..................... 92
5.3.3 Cas d’un faisceau astigmate. .................... 93
5.4 Conclusions du chapitre. .......................... 95
6 Expérimentation de type PLIF sur bulle unique : dimensionnement. 97
6.1 La cellule de lévitation acoustique. .................... 97
6.1.1 Force de Bjerknes primaire. .................... 97
6.1.2 Cellule de lévitation. ........................ 100
6.1.3 Système de dégazage contrôlé. ................... 101
6.1.4 Mise au point d’une cellule cubique. ................ 102
6.1.4.1 Détermination des dimensions du volume fluide. . . . . 103
6.1.4.2 Enseignements des premiers modèles de cellule. . . . . 106
6.1.5 Modèle de cellule retenu. ...................... 108
6.1.6 Contrôle de la cellule. ........................ 112
6.2 L’ensemble caméra et objectif. ....................... 113
6.2.1 Caméra CCD intensifiée. ...................... 113
6.2.2 Objectif microscope longue distance. ............... 115
6.3 Laser et génération de nappe. ....................... 115
6.3.1 Choix d’un laser. .......................... 115
6.3.2 Génération d’une nappe laser. ................... 117
6.4 Choix des filtres optiques. ......................... 121
6.5 Choix des traceurs. ............................. 122
6.6 Signal de fluorescence. ........................... 122
6.6.1 Bulle au point focal. ........................ 122
6.6.2 Bulle en aval du point focal. .................... 123
6.7 Synchronisation de l’ensemble. ....................... 125
6.8 Vue d’ensemble de l’expérimentation. ................... 126
7 Réglages et expérimentations. 129
7.1 Réglages. ................................... 129
7.1.1 Trouver la bulle. .......................... 129
7.1.2 Aligner le laser. ........................... 130
7.1.3 Réglage itératif. ........................... 130
7.1.4 Aligner bulle et laser. ........................ 130
7.2 Validation : le cycle de la bulle. ...................... 132
7.3 Expérimentations envisagées. ....................... 136
7.3.1 Quantification de la ségrégation par mesure de fluorescence. . . 136
7.3.2 Défaillance de la caméra. ...................... 137
7.3.3 Ségrégation de nanoparticules de cuivre et d’or. ......... 138
8 Conclusions et perspectives. 139
3

Table des matières
Références bibliographiques 143
A Données quantum dots. 149
4