Étude statique

Dans cette première étude, nous avons mélangé les particules dans de l’huile de silicone en l’absence d’écoulement. Les particules sont pesées à l’aide d’une balance de précision de façon à atteindre des concentrations massiques comprises entre 100 mg/L et 900 mg/L. L’huile de silicone et les particules sont versées dans un bécher puis mélangées manuellement pendant plusieurs minutes. Le mélange est ensuite versé dans la cellule d’essai et éclairé par un plan laser pour observation.

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HGS PMMA

SiO2 PTFE

Rilsan Vestosint

Figure 49. Images instantanées de distributions de particules dans l’huile de silicone 47V3 (UHT = 0 kV) sous rayonnement

laser à concentration massique identique

La Figure 49 présente les images instantanées des distributions spatiales de particules dans l’huile de silicone au repos sous rayonnement laser. Le fond (non éclairé) apparaît en noir et les particules en blanc. Tous ces clichés sont pris à des concentrations massiques comparables.

Sur les images prises avec le HGS, le PMMA ou encore le Vestosint, le fond semble noir et les particules très blanches. À contrario, les mélanges avec SiO2 et Rilsan donnent des

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distributions plus diffuses avec un aspect plus laiteux. Le contraste des images est donc moins bon, or on sait que le rapport signal/bruit est essentiel pour le calcul des corrélations PIV. Cet aspect laiteux est probablement dû à un excès de particules. Effet, pour un même poids, si le rayon des particules est divisé par n, le nombre de particules est multiplié par n³. Il y a donc dans les solutions de SiO2 et de Rilsan beaucoup plus de particules par unité de volume qui diffusent la lumière et donnent aux images ce caractère laiteux.

Pour réaliser des mesures PIV de qualité, il faut obtenir un mélange homogène et stable. On voit sur les images de la Figure 49 que le HGS, le Vestosint et le PTFE donnent des distributions particulièrement homogènes alors que sur les images de Rilsan et de PMMA, certaines particules brillent plus que d’autres. Ce phénomène est peut-être dû à la formation de grumeaux qui diffusent plus de lumière.

Il est également nécessaire que les particules aient une bonne mouillabilité. Nous avons observé que les particules de HGS et de PMMA se mélangent particulièrement bien alors que les particules de PTFE ont tendance à former des grumeaux au moment où elles sont versées dans l’huile. Ces grumeaux ne se désagrègent pas ou peu et précipitent rapidement (cf. Figure 50).

Figure 50. Illustration du phénomène de précipitation et d’agglomération des particules de PTFE (TF1750) dans l’huile de silicone 47V5

Il est également intéressant de noter que les particules de HGS semblent les plus grosses alors qu’elles ont un diamètre intermédiaire (10 µm). En revanche les particules de PMMA qui ont les plus gros diamètres (entre 20 µm et 50 µm) semblent plus petites. Ce phénomène montre que la taille apparente d’une particule n’est pas directement liée à son diamètre. En pratique, plus les particules brillent sous éclairage laser, plus elles semblent grosses. Leur taille apparente est donc principalement liée à leur qualité diffusive et non à leur diamètre. Cet effet a été étudié par Boutier et Elena [83] mais dans le cas présent une étude qualitative directe suffit pour vérifier si les particules sont suffisamment diffusantes sous rayonnement laser. Enfin il faut vérifier que le mélange reste stable dans le temps. Pour réaliser de bonnes mesures, il est nécessaire d’avoir un nombre constant de particules dans les fenêtres de corrélation (environ 10) pendant toute la durée des mesures. Nous avons contrôlé la stabilité de nos mélanges grâce à des tests de sédimentation. Plusieurs images du même mélange ont été prises à intervalle régulier sur une période de 5 à 50 secondes.

79 La Figure 51 montre la répartition spatiale de particules de Vestosint 2158 à t = 0 s et t = 5 s dans l’huile de silicone. La plupart des particules présentes à t = 0 s se retrouve sur l’image à t = 5 s à des positions quasi identiques. Cette observation s’explique principalement par le fait que la densité du Vestosint est égale à celle de l’huile de silicone à 12 % près et que les particules ne sédimentent que très peu en 5 secondes.

t=0s ^t=5s

Figure 51. Comparaison des distributions de particule de Vestosint au début d’une visualisation et après 5 secondes

La Figure 52 compare la répartition instantanée de particules de PTFE dans l’huile de silicone à t = 0 s et t = 5 s puis t = 50 s. Contrairement au cas précédent, en 5 secondes la distribution de particule a évolué. Le déplacement des particules n’est pas dû à un effet brownien où à des mouvements thermiques dans le liquide puisqu’après 50 secondes la concentration en particules en haut du champ de visualisation a très nettement diminué. La densité du PTFE étant environ 2 fois supérieure celle de l’huile de silicone, les particules ont en partie précipité.

80

t = 50 s

Figure 52. Evolution de la distribution de particule de PTFE dans l’huile de silicone à différents instants d’une visualisation

En conclusion nous pouvons dire que toutes les particules étudiées sont utilisables pour la PIV dans l’huile de silicone. Cependant le HGS et le PMMA ont le meilleur rapport signal sur bruit. Le Vestosint et le HGS ont les densités les plus homogènes et le Téflon a tendance à former des grumeaux au moment du mélange initial et malheureusement il sédimente en quelques dizaines de seconde si le liquide est au repos.