La teneur en contaminants à la surface d’une goutte détectée à partir de ses oscillations
La forme d’une bulle ou d’une goutte oscille lors de son ascension dans un fluide. En filmant ces vibrations à l’aide d’une caméra rapide, des chercheurs du Laboratoire de génie chimique et de l’Institut de mécanique des fluides de Toulouse sont parvenus à déterminer la teneur en contaminants que la bulle, ou la goutte, portent à sa surface. Ces travaux, publiés dans la revue Physical Review Letters en tant que « Editor’s suggestion », permettent une mesure in situ dans un milieu aussi fin que la surface d’une bulle.
Même en d’infimes concentrations, les contaminants présents à la surface de bulles ou de gouttes affectent le fonctionnement de procédés industriels, tels que les colonnes à bulles et d’extraction, respectivement utilisées pour le traitement des eaux et en hydrométallurgie. Les impuretés modifient drastiquement la morphologie des écoulements diphasiques, où deux phases cohabitent comme deux liquides différents ou un fluide et un gaz. Or la mesure des impuretés est presque impossible dans un milieu aussi infime que la surface d’une goutte. Des chercheurs du Laboratoire de génie chimique (LGC, CNRS/Toulouse INP/Université de Toulouse Paul Sabatier) et de l’Institut de mécanique des fluides de Toulouse (IMFT, CNRS/Toulouse INP/Université de Toulouse Paul Sabatier) sont cependant parvenus à évaluer la teneur en contaminants à partir de leur impact sur la forme d’une bulle ou d’une goutte.
Ces travaux combinent résultats théoriques, expérimentaux et numériques. Ils se basent sur le fait que les contaminants en surface amortissent les oscillations naturelles des bulles. Ce phénomène n’était jusque-là observé que dans des expériences en microgravité, car on pensait que la gravité terrestre perturbait trop les oscillations. Grâce à des simulations numériques, les chercheurs ont montré que ce n’était pas le cas et que des mesures pouvaient donc être faites en laboratoire et pas nécessairement lors d’expériences en microgravité, coûteuses et difficiles à réaliser. Ils ont ainsi quantifié, à partir d’une approche théorique, la présence d’impuretés de surface à partir du comportement des bulles. Ces travaux permettront de mieux appréhender l’effet des contaminants pour le pilotage et l’optimisation des procédés.
Goutte qui se détache et monte en oscillant
- en bas à droite, une goutte attachée à un capillaire avant son détachement,
- au milieu, la forme de la goutte qui oscille lors de son ascension, les niveaux de couleur représentant la concentration en contaminants sur l'interface,
- en haut à droite, une représentation schématique des contaminants sur l'interface de la goutte,
- à gauche, l’amplitude des différents modes d’oscillation.
Références
Determination of interfacial concentration of a contaminated droplet from shape oscillation damping,
B. Lalanne, O. Masbernat, F. Risso,
Phys. Rev. Lett. 124, 194501 (2020)
https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.124.194501
Synopsis : Droplet shape reveals contaminants (Physics 13, S64)