Chapitre IV. Mesure de la vitesse des particules dans un champ électrique à ondes
IV.2. Analyse des images brutes du mouvement des particules
L’objectif de cette section est d’analyser les images brutes enregistrées pour décrypter le mouvement des particules. Plus précisément, nous étudions les différents modes de mouvement des particules dans différentes conditions, nous surlignons aussi quelques comportements particuliers des particules pour les deux convoyeurs COP et COS.
La Figure IV.3 montre quelques instants représentatifs du mouvement des particules pour les deux convoyeurs après 100, 200, 300, 400 et 500 ms d’application de la tension.
Ces images sont prises pour une fréquence de 50 Hz, donc le temps correspondant à un cycle
Ayyoub ZOUAGHI PPRIME – Poitiers 2019
concentré la caméra sur la zone située juste au-dessus de la surface du convoyeur sur le plan perpendiculaire aux électrodes. L'amplitude de la tension appliquée est fixée à une valeur de
1000 V, inférieure à celle nécessaire pour l’initiation d’une décharge couronne. Les particules
dans cette étude font partie de la 2ème classe, donc elles ont un diamètre médian de 57 μm.
(a) COP (b) COS
Figure IV.3. Images brutes en niveaux de gris du mouvement des particules pour les instants 100, 200, 300, 400 et 500 ms qui suivent l’application de la tension pour les deux convoyeurs. Conditions : 1000 V,
50 Hz, 50 %! 57 μm.
A l’instant 100 ms, une grande quantité des particules déposées sur la surface se
projette dans l’air suite à l’application de la tension pour les deux convoyeurs à 50 Hz. Il n y a
pas une direction préférentielle du mouvement, les sauts de particules peuvent atteindre quelques millimètres au-dessus des électrodes. Ce mouvement est dû à la force répulsive de Coulomb, qui agit sur les particules chargées, en particulier celles au-dessus des électrodes avec la même polarité. Ainsi, juste après l’application de la tension, les particules chargées suivent les lignes du champ au lieu de suivre l’onde progressive.
Ayyoub ZOUAGHI PPRIME – Poitiers 2019
De 200 à 400 ms, les particules retombent sur la surface et commencent à se déplacer
horizontalement, dans les deux directions dans le cas biphasé, et dans une direction préférentielle dans le cas triphasé. Durant cette phase de mouvement des particules, le phénomène de confinement des particules chargées positivement dans les zones du potentiel électrique faible est confirmé. En effet, du fait de la charge positive des particules, elles sont attirées par les zones à faible potentiel électrique. Par conséquent, elles se trouvent piégées dans la partie creuse de l’onde du potentiel, avant de se déplacer avec cette dernière. Ce phénomène est clairement visible dans les deux cas pour une fréquence de 50 Hz aux instants 200 ms et 300 ms. La zone à faible potentiel peut être affectée par la valeur de la tension
appliquée ainsi que par la largeur des électrodes et le gap. Le confinement des particules dépend de leur taille car les petites particules ont une mobilité plus élevée, mais il dépend aussi de leur charge qui est liée à la nature des particules et de leur état de surface si on considère que les particules sont chargées à l’aide d'un mécanisme tribo-électrique. Ce phénomène dépend aussi de la valeur de la fréquence. Ce lien fera l’objet d’une étude détaillée dans ce chapitre.
Au bout de 500 ms, les particules sont efficacement transportées dans les deux
convoyeurs. Cependant, la configuration triphasée (COP) est clairement plus efficace que la configuration biphasée (COS), ce qui signifie qu’un champ électrique à ondes progressives est plus approprié pour déplacer des particules pour des applications de nettoyage de surface. Cela confirme les résultats obtenus dans le Chapitre II.
La fréquence est sans doute le paramètre clé de l’interaction champ électrique / particules. La Figure IV.4 illustre l’emplacement des particules après 500 ms d’application
du champ électrique pour différentes fréquences dans le cas triphasée. Les valeurs de fréquence étudiées vont de 5 à 1000 Hz. Le mouvement des particules dépend fortement de la
fréquence, ce qui affecte leur l’efficacité de déplacement. Nous distinguons trois comportements différents des particules :
• Aux basses fréquences (5 Hz et 10 Hz), la variation du champ électrique en fonction
du temps est relativement lente, par conséquent, les particules ont suffisamment de temps pour suivre les lignes de champs électrique. Les particules sont soulevées à des hauteurs importantes (jusqu’à 15 mm) lorsque le champ électrique est appliqué, en
raison d’une force électrique relativement importante par rapport à la gravité sur une durée non négligeable de la période. Ainsi, un nuage de particules se forme à quelques millimètres au-dessus de la surface. Malgré cela, l’efficacité de déplacement des particules est faible.
• À 50 Hz et 100 Hz, l’efficacité de déplacement des particules est élevée. Dans cette
gamme de fréquence, les particules piégées dans les zones de faible potentiel électrique se déplacent avec l’onde progressive.
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• A hautes fréquences (500 Hz et 1000 Hz), une grande partie des particules ne font
que vibrer sur la surface. Certaines d’entre elles sautent à faible hauteurs et se déplacent sur de très courtes distances. Ceci est probablement dû au fait que le champ électrique appliqué varie très rapidement en fonction du temps avec une valeur moyenne nulle en un point donné de l’espace. Cela minimise l’effet de la force de Coulomb, qui ne peut donc pas vaincre la force gravitationnelle et la force de trainé. L’efficacité de déplacement des particules pour ces fréquences est très faible. Ce mode de mouvement a été abordé dans la littérature par Melcher et al. [156]–[158] et Kawamoto et al. [27], [90] .
Figure IV.4. Images brutes en niveau de gris de mouvement des particules dans le COP pour différentes valeurs de fréquences (de 5 à 1000 Hz). Conditions : 3 phases, 1000 V, " 50 %! 57 μm.
Cette étude a permis de confirmer les mécanismes de mouvement des particules à l’aide des observations sur des images brutes. Dans la prochaine partie de ce chapitre, une étude très approfondie sur la vitesse des particules sera effectuée à l’aide d’un post-traitement de ces images.