Dynamique d’une cavitation acoustique

Dans le milieu liquide, l’action des ultrasons repose essentiellement sur le phénomène de cavitation [96]. Lorsqu’une onde ultrasonore se propage, les molécules constitutives du milieu oscillent et transfèrent l'énergie dans la direction de la propagation [101]. Les ondes ultrasonores, comme toutes les ondes sonores, se composent de cycles de compression et d'expansion. Lors de ces cycles les molécules vont osciller de part et d’autre de leur position d’équilibre ; elles vont alternativement se rapprocher puis s’éloigner les unes des autres. Les cycles de compression exercent une pression positive sur le liquide, poussant les molécules les unes contre les autres ; contrairement aux cycles de compression, les cycles d'expansion exercent une pression négative, éloignant les molécules les unes des autres. Pendant le cycle de dépression, une vibration d'intensité suffisante peut produire des cavités [102].

Un liquide est lié par les forces attractives, qui déterminent la résistance à la traction du liquide [101]. Physiquement, pour que le phénomène de cavitation se produit, il faut fournir une énergie capable de vaincre les forces de cohésion du liquide, c'est-à-dire que la pression du liquide doit devenir inférieure à sa tension de vapeur, on voit donc émerger la notion de seuil de cavitation, seuil de pression, ou de puissance. Une puissance acoustique minimale est nécessaire pour observer le phénomène (connu sous le nom de seuil de Blake) [96].

Dans l'eau, il a été estimé à une valeur voisine de 1500 atm [102]. Selon Suslik [101], pour l’eau courante, une dépression de seulement quelques bars va donner naissance à des bulles de cavitation. En pratique, la cavitation se produit pour des pressions acoustiques beaucoup plus faibles (< à 20 atm). Ceci est indubitablement dû à la présence des impuretés telles que les particules solides, les poussières, les microbulles de gaz ou de vapeurs piégées dans les micro-crevasses à la surface de ces particules solides et poussières dans le liquide qui abaissent le seuil de la pression acoustique nécessaire pour la formation de la cavitation [102]. La Figure I-10 montre schématiquement le cycle de vie d’une micro- bulle de cavitation soumise aux ultrasons.

La cavitation est définie comme étant le phénomène de naissance, croissance et finalement l’implosion d’une petite bulle au sein d’un liquide [103,104]. Les bulles de quelques micromètres de diamètre qui apparaissent dans le liquide vont osciller dans le champ ultrasonore. Les interactions entre bulles et ondes ultrasonores sont différentes selon l’intensité ultrasonore.

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Figure I-10 : Dynamique d’une bulle de cavitation acoustique [96, 105]

A faible intensité ultrasonore de l’ordre de 1 à 3 W.cm-² [96], les bulles de cavitation oscillent avec une faible amplitude pendant plusieurs cycles acoustiques où elles évoluent lentement par un transfert de gaz ou de vapeur du liquide. En effet, le flux de gaz lors de la phase de dépression (de l’extérieur vers l’intérieur de la bulle) est supérieur à celui de la phase de compression (de l’intérieur vers l’extérieur de la bulle). La taille des bulles augmente ainsi par diffusion rectifiée. Ces bulles peuvent ensuite soit, coalescer puis remonter à la surface : c’est le principe de dégazage ultrasonore, soit disparaître par dissolution. C’est ce que l’on appelle la cavitation stable.

Il existe un autre type de cavitation dit transitoire, Ce phénomène a lieu à forte intensité ultrasonore [101], supérieure à 10 W.cm-² [96]. Ce type de bulles de cavitation grossit très rapidement puis implose violemment. Selon Crum [106] deux mécanismes coexistent et assurent la croissance des bulles de cavitation : l’effet de surface et l’effet de coquille.

L’effet de surface est dû à la variation du rayon de la bulle. Lorsque le rayon est inférieur au rayon d’équilibre, le gaz à l’intérieur de la bulle présente une pression plus grande que celle du liquide extérieur et le gaz diffuse de la bulle vers le liquide. Alors, le rayon augmente jusqu’à devenir supérieur au rayon d’équilibre, la pression à l’intérieur de la bulle devient inférieure à celle du liquide et la bulle se contracte. Néanmoins, la quantité de gaz diffusé est proportionnelle à la surface d’échange, le flux entrant est donc supérieur au flux sortant donc globalement, au cours d’un cycle, les bulles croissent [105, 106, 107].

L’effet de coquille accompagne l’effet de surface lors la croissance de la bulle. Ce modèle décrit la possibilité d’existence d’une couche sphérique de liquide entourant la bulle de cavitation comme une coquille. La vitesse de diffusion du gaz dans un liquide est proportionnelle au gradient de concentration du gaz dissous. Lorsque la bulle vibre, la coquille de liquide à l’extérieur de la bulle change de volume puisqu’elle subit une contraction et une expansion. Lorsque la bulle est en expansion, la coquille de liquide est contractée. La concentration du gaz dissous est inférieure à la valeur d’équilibre mais la taille de la coquille est réduite et le gradient de concentration de la coquille est élevé. Le résultat est une vitesse de diffusion de gaz vers l’intérieur de la bulle élevée. Dans le cas contraire, quand la bulle est

Force d’expansion Pression Seuil de cavitation Formation Diffusion rectifiée Implosion et fragmentation Liquide Germes de cavitation

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contractée, la concentration de gaz dans le liquide est plus élevée mais la coquille est plus grande et le gradient de concentration n’est pas aussi important que quand la bulle est en expansion. A la fin, l’effet d’entrée de gaz dans la bulle domine encore. Ce phénomène favorise le transfert de matière entre la bulle de cavitation et le liquide [105, 106, 107].

La durée de vie d’une bulle de cavitation transitoire n’excède pas quelques cycles et parfois même pas la fin d’un seul cycle et elle est supposée insuffisante pour autoriser des transferts de matière par diffusion de gaz à travers l'interface aussi bien du milieu extérieur vers la bulle qu’inversement [91, 107,108]. On admet qu’il n’existe pas de transfert de gaz entre le liquide et la bulle mais seulement une vaporisation et une condensation de ce liquide [106, 107]. Sous l’action de la pression, les bulles de cavitation s’implosent libérant alors toute l’énergie accumulée et concentrée durant sa croissance. Quatre théories apparaissent pour expliquer la violence de l’implosion d’une bulle de cavitation, certaines sont connues depuis les années 50 d’autres sont en cours de développement [109]. La théorie du point chaud ("hot spot") développée par Noltinck [110] et Neppiras [111] explique qu’une bulle de cavitation par le calcul en prenant en considération uniquement un phénomène adiabatique, procure en implosant, une haute température et une pression élevée. Mais cette étude ne permet pas d’expliquer les émissions potentielles de flashlumineux observé dans un liquide soumis à des ultrasons de fortes puissances.

Yasui et al [112] ont montré par calcul que la température pouvait atteindre 10 900 K dans l’eau sous atmosphère d’argon, 6 500 K sous air à 52 kHz (cas d’une bulle unique). Flanningan et al [113] prédit également que la température pouvait atteindre 15 200 -1 900 K (bulle unique dans H2SO4 à 20 kHz). De même, Colussi [114] découvrit que la température peut

monter jusqu’à 14 700 K, mais qu’en présence de vapeur d’eau à l’intérieur de la bulle de cavitation à une fréquence de 300 kHz, cette dernière ne pouvait grimper qu’à environ 10 000K. Par ailleurs, les mesures de pression donnent également des valeurs différentes en fonction des conditions de travail : 300 ± 30 bars dans de l’huile de silicone sous argon à 20 kHz [115], et jusqu’à 1 000 bars [116]. Ces conditions de température et de pression sont en accord avec une compression adiabatique des bulles de cavitation durant l’implosion.

Les fortes températures engendrées peuvent provoquer la dissociation de la vapeur d’eau en radicaux H•, HO• et la dissociation des autres molécules gazeuses. De plus, Marinesco et Trillat [100] ont découvert en 1993, l’émission d’un flash lumineux (le spectre se situe dans la lumière ultraviolette jusqu’à 190 nm) connue sous le nom de sonoluminescence. La cavitation transitoire conduit donc aux différents effets sonochimiques. L'implosion de bulles stables est moins violente que celle des bulles transitoires, mais toutefois suffisante pour développer des températures et des pressions nécessaires pour créer des espèces radicalaires et/ou atomiques [91, 108,102]. Une onde de choc est aussi générée dans ce cas.

Il est possible de distinguer deux grandes familles d’applications des ultrasons, basées soient sur les actions sonophysiques, soient sur les actions sonochimiques. Les conditions obtenues dans le milieu sont responsables d’un grand nombre d’effets physico-chimiques :

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réactions chimiques accélérées et/ ou inusuelles, émulsification, érosion, cristallisation, précipitation, désinfection, etc…. [100].