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Conference Papers Year : 2013

Acoustic detection of crystal nucleation near a single bubble in a levitation cell

Détection de la nucléation de cristaux de glace au voisinage d'une bulle de cavitation

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William Montes
  • Function : Author
Olivier Louisnard
Fabienne Espitalier
Bruno Boyer
  • Function : Author

Abstract

The application of power ultrasound in liquids produces thousands of bubbles. This phenomenon is called acoustic cavitation. The bubbles formed do not have the same size, their oscillations are not in phase, and their spatial density in the fluid is very not homogeneous: this phenomenon is thus very complex and involves multiple variables which are very difficult to isolate. Even if the phenomenon is chaotic, its macroscopic effects on the nucleation and growth of of ice crystals in undercooled solutions are noticeable. These effects have a crucial importance for industrial applications such as freezing and lyophilisation (also called freeze drying) of pharmaceutics products. Although the effects of ultrasound on crystallization are well-known, their physical origin remains unclear. Multi-bubble experiments do not give any hint in the microscopic mechanisms involved. Therefore, in order to isolate the main actor of these effects, this study aims at creating and observing a single cavitation bubble. To do so, a cubic levitation cell with optical glass walls was build. In this cell, in order to maintain a single bubble levitating, a pressure wave is imposed by a piezoelectric ceramic glued to the base of the cell. A piezoelectric microphone is also glued on the lateral wall in order to record the bubble response, which is strongly linked to the bubble dynamics. The presence or appearance of any foreign body near the levitating bubble may perturb the latter and alter the periodicity of its oscillation. We wish to exploit this loss of periodicity for early detection of crystals nucleation near the bubble. As a preliminary step, to simulate the later, a micro-fiber of diameter smaller than 50 μm is approached to the bubble. By performing an autocorrelation study of the microphone signal, we can detect the perturbation of the periodicity of the bubble dynamics. In a second step, crystallization experiments will be conducted, and the detection principle will be used to trigger the recording of images in the early phase of the crystals formation.
L'application des ultrasons de puissance dans un liquide produit des milliards de bulles. Ce phénomène est appelé cavitation acoustique. Les bulles formées ne font pas toutes la même taille, leurs oscillations ne sont pas en phase, et leur densité spatiale dans le fluide est très inhomogène: ce phénomène très complexe implique donc de nombreuses variables difficiles à isoler. Même si le phénomène est chaotique, ses effets macroscopiques sur la nucléation et la croissance des cristaux de glace dans une solution sous-refroidie sont notables. Ces effets sont d'une importance capitale pour des applications industrielles comme la congélation ou la lyophilisation. Bien que les effets des ultrasons sur la cristallisation soient réputés, leur origine reste mal connue. Les expériences impliquant des milliards de bulles ne fournissent aucune piste sur les mécanismes microscopiques mis en jeu. Afin d'isoler l'acteur essentiel de ces effets, l'étude menée vise à créer et observer une bulle unique de cavitation. Pour cela, une cellule de lévitation carrée en verre a été conçue. Dans cette cellule, pour maintenir une bulle unique en lévitation, une onde de pression est imposée par un piézoélectrique positionné à la base de la cellule. Un microphone est collé sur une face latérale afin d'enregistrer sa réponse qui est fortement liée à la dynamique de la bulle. Lorsque un corps étranger apparaît ou s'approche de la bulle, il la perturbe et affecte sa périodicité. Nous souhaitons exploiter cette perturbation pour détecter la formation des premiers cristaux au voisinage de la bulle. Dans un premier temps, afin de simuler cette perturbation, une micro-fibre de diamètre inférieur à 50 µm est approchée de la bulle. L'étude de l'auto-corrélation du signal du microphone nous permet de détecter la perturbation engendrée sur la périodicité de la dynamique de bulle. Dans un second temps, des expériences de cristallisation seront menées, et le principe de détection sera alors mis à profit pour déclencher l'enregistrement d'images dans la phase initiale de formation des cristaux.
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Dates and versions

hal-01686073 , version 1 (04-05-2018)

Identifiers

  • HAL Id : hal-01686073 , version 1

Cite

William Montes, Fabien Baillon, Olivier Louisnard, Fabienne Espitalier, Bruno Boyer. Détection de la nucléation de cristaux de glace au voisinage d'une bulle de cavitation. Cristal 7, Cristallisation et Précipitation Industrielles, May 2013, Toulouse, France. Art. 26-7 p. ⟨hal-01686073⟩
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