Ultrasonic characterization of solid suspensions in a viscous fluid

Caractérisatiοn ultrasοnοre de suspensiοns sοlides dans un fluide visqueux Les méthodes ultrasonores sont largement utilisées dans divers domaines d’évaluation et de caractérisation de milieux multiphasiques. En particulier, les ultrasons trouvent leur application dans l’établissement de diagnostic divers produits, dont des fluides pollués (traitement des eaux usées) ou des produits alimentaires (caractérisation des lipides et des protéines), ou encore des sédiments en suspension (évaluation de la concentration et la distribution des tailles de particules). Ce travail de recherche a pour but d'établir une relation entre les signaux ultrasonores et la concentration des particules, selon la nature, de la forme et de la distribution des particules. Dans cet objectif, un dispositif expérimental a été développé et mis en œuvre, et des modèles numériques de diffusion multiple ont été traités et validés. Des mesures ultrasonores ont été réalisées pour caractériser des suspensions en écoulement dynamique, avec une instrumentation spécifique conçue pour mesurer des propriétés ultrasonores effectives telles que l'atténuation et la vitesse. Les signaux ont été acquis et moyennés en régime stationnaire via le langage Python ; le post-traitement des signaux a été réalisée dans le domaine spectral via la FFT sur les échos d’intérêt ; les propriétés ultrasonores utiles ont été déduites en fonction de la fréquence via l'atténuation et la vitesse. Des expériences ont été menées sur des particules de différentes natures : billes de verre, particules de Rilsan et particules de limon. Les conditions de mesure ont été variées : concentration, salinité, température et débit. Les résultats obtenus font état de tendances reproductibles :•L'atténuation et la vitesse ultrasonores varient avec la concentration, respectivement de manière quadratique et linéaire.• La salinité a un effet minimal sur l'atténuation, mais impacte significativement la vitesse.•La température n'a aucun effet sur l'atténuation et un impact limité sur la vitesse.•Le débit n'affecte pas directement les propriétés ultrasonores, mais il aide à comprendre les processus hydrodynamiques dans les transports sédimentaires ou les flux sous-marins.•Les particules de géométrie non-lisse de type sédiment, limitent les variations d'atténuation et de vitesse par rapport aux géométries lisses, i.e. billes de verre ou particules de Rilsan.•Le dispositif expérimental développé a donné des résultats fiables, permettant l'investigation de plusieurs paramètres d’influence simultanément.De plus, les résultats expérimentaux ont été comparés aux résultats numériques basés sur les travaux de McClements, utilisant des modèles de diffusion multiple de Lloyd et Berry, Waterman et Truell et Ma et al. Les écarts entre les résultats expérimentaux et numériques ont motivé une étude hydrodynamique avancée via modélisation par éléments finis réalisée avec Comsol 2D.