Les ultrasons peuvent produire des effets physiques significatifs. Des effets physiques tels que le micro-streaming, les micro-streamers, les micro-jets, et les ondes de choc peuvent être produites par les bulles de cavitation.
a- Courants acoustiques
Observés pour la première fois par Faraday en 1831, les courants acoustiques peuvent être générés au sein du liquide lors de la propagation d’ondes ultrasonores. Deux types de courants acoustiques peuvent être distingués [117, 118] :
- le courant de Rayleigh où les tensions de Reynolds agissent sur les couches limites acoustiques qui se développent le long des parois solides.
- le courant d’Eckart, pour lequel le mouvement est créé au sein du fluide par les tensions de Reynolds résultant du passage de l’onde acoustique.
Ces courants ont un effet d’agitation du milieu, d’où leur intérêt lors de réactions électrochimiques au cours desquelles l’approvisionnement de l’électrode en espèces électro- actives est essentiel.
b- Effets thermiques
L’absorption de l’onde acoustique se traduit par une augmentation de la température du milieu de propagation. Cet effet est à la base de la caractérisation calorimétrique du sonoréacteur qui sera développée plus loin [91].
La première cause de cette élévation de température est dûe aux échanges thermiques entre les phases de compression / relaxation. En effet, lors d’un cycle acoustique, la chaleur absorbée par une zone de compression est plus faible que celle cédée lors de la phase de dépression lui succédant. La deuxième cause de l’échauffement du milieu trouve son origine dans les frottements visqueux entre les tranches du liquide. Ce phénomène est donc très
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dépendant de la nature du liquide, notamment sa viscosité. L’élévation de température au sein du milieu va être à l’origine de courants convectifs [117, 118].
c- Courant de micro-agitation (micro-streaming)
Agitation locale résultant de la succession de phases de compression et détente du liquide. Ce phénomène conduit à un type de flux de fluide peu commun lié au gradient de vitesse, de température et de pression [119].
d- Micro-streamers
Sont formés par des bulles de cavitation parcourant le liquide aux nœuds ou aux ventres entrainés par des forces de Bjerknes [120].La force de Bjerknes primaire est proportionnelle au volume de la bulle, lorsque la bulle est en phase d’expansion, son volume augmente et la force de Bjerknes la pousse vers les ventres de pression de l’onde stationnaire avec une forte amplitude. Lors des phases de compression, la force de Bjerknes est de faible intensité et en direction des nœuds de pression [117, 118]. La bulle donne ainsi l’impression de léviter au sein du liquide.
La force de Bjerknes secondaire prend en compte, en plus du champ d’accélération de l’onde acoustique, le champ d’accélération produit par une bulle voisine et régit donc les interactions des bulles entre elles. Il en résulte aussi une force dirigée selon l’axe liant les centres des deux bulles [117,118]. Cette force permet de prédire partiellement l’attraction ou la répulsion de deux bulles de cavitation. Si deux bulles sont proches, elles vibreront en phase et exerceront une force d’attraction l’une sur l’autre. Dans le cas opposé, elles vibreront en opposition de phase et exerceront une répulsion mutuelle. Les forces de Bjerknes expliquent en partie la formation de nuages de bulles.
e- Micro-jets
Au voisinage d’une surface rigide, l’implosion des bulles de cavitation n’est pas la même qu’au sein du liquide. En effet, au milieu du liquide, la bulle implose de manière symétrique tandis qu’au voisinage d’une paroi la bulle ne garde pas sa forme sphérique au cours de l’implosion qui devient, de ce fait, asymétrique donnant naissance à des pics de pression très élevés. Ces pics de pression sont les conséquences de deux mécanismes : l’onde de choc dûe à l’implosion de la bulle et les micro-jets issus de l’implosion asymétrique. A proximité d’une surface, la bulle s’effondre sur elle-même sous forme toroïdale en entraînant un micro-jet dirigé vers la paroi (Figure I-11).
Figure I-11 : Formation d’un jet de liquide lors de l’implosion d’une bulle de cavitation à
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La vitesse des micro-jets dépend de la pression à laquelle est soumise la bulle au moment de l’implosion et peut atteindre plusieurs centaines de mètres par seconde [117, 118]. L’impact du micro-jet s’accompagne d’un effet de mélange à proximité de la surface : le liquide contenu dans le micro-jet provient du cœur du liquide et renouvelle donc le liquide à proximité de la surface lors de l’impact. De plus, l’impact se faisant à forte vitesse, entraîne des courants de convection capables d’accélérer la diffusion.
C’est ce phénomène, très violent à basse fréquence, qui confère un pouvoir nettoyant aux ultrasons. Il est très important pour notre étude puisqu’il sera à la base d’effets importants sur le transfert de matière au niveau de l’électrode.
f- Les ondes de choc
Lors de la phase d’implosion de la bulle de cavitation inertielle au sein du liquide, elle s’effondre violemment sur elle-même et donne lieu à des ondes de choc dans le milieu [89]. Les ondes de choc produites sont estimées à plusieurs dizaines voire plusieurs centaines de méga-pascals [98,107, 118].
g- Sonoluminescence
La sonoluminescence fut découverte dans les années 1930 par Harvey et Frenkel [121]. Elle désigne l’émission lumineuse au sein d’un liquide suite à la propagation d’une onde sonore. Bien qu’étant une conséquence de la cavitation, son origine est encore mal connue et plusieurs théories s’opposent à ce niveau.