A time splitting projection scheme for compressible two-phase flows. Application to the interaction of bubbles with ultrasound waves

This paper is focused on the numerical simulation of the interaction of an ultrasound wave with a bubble. Our interest is to develop a fully compressible solver in the two phases and to account for surface tension effects. As the volume oscillation of the bubble occurs in a low Mach number regime, a specific care must be paid to the effectiveness of the numerical method which is chosen to solve the compressible Euler equations. Three different numerical solvers, an explicit HLLC (Harten–Lax–van Leer-Contact) solver [48], a preconditioning explicit HLLC solver [14] and the compressible projection method , and , are described and assessed with a one dimensional spherical benchmark. From this preliminary test, we can conclude that the compressible projection method outclasses the other two, whether the spatial accuracy or the time step stability are considered. Multidimensional numerical simulations are next performed. As a basic implementation of the surface tension leads to strong spurious currents and numerical instabilities, a specific velocity/pressure time splitting is proposed to overcome this issue. Numerical evidences of the efficiency of this new numerical scheme are provided, since both the accuracy and the stability of the overall algorithm are enhanced if this new time splitting is used. Finally, the numerical simulation of the interaction of a moving and deformable bubble with a plane wave is presented in order to bring out the ability of the new method in a more complex situation

Régulation acoustique de la cavitation ultrasonore pour la transfection cellulaire in vitro.

La transfection ultrasonore de matériel génétique au sein de la cellule implique le phénomène de cavitation ultrasonore, qui apparaît souvent comme non reproductible et instationnaire. Afin de trouver un compromis acceptable entre mortalité cellulaire et taux de transfection, un système de régulation de la cavitation ultrasonore basé sur un critère acoustique a été mis en œuvre et validé pour la transfection cellulaire dans une configuration de transducteur plan en tir continu

Analyse par PIV de l'interaction d'une paire de jets synthétiques avec le sillage d'un corps profilé en vue de réduire la traînée

Les écoulements autour des obstacles sont d’une importance fondamentale dans la compréhension de la formation des sillages et les instabilités de type Benard-Karman essentiellement. Depuis quelques dizaines d’années, le contrôle de ce phénomène est un objectif primordial pour l'industrie aéronautique. Diverses approches ont été utilisées pour contrôler ou réduire l’émission de ces tourbillons de Bénard-Karman : l’introduction d’un deuxième obstacle dans le sillage, la modification de la pression en amont du cylindre par un système d’aspiration, la vibration libre longitudinale ou transversale du cylindre, etc. Dans ce travail, on décrit un procédé de contrôle qui consiste à utiliser des actionneurs de type jet synthétique pour contrôler ce phénomène de lâcher tourbillonnaire qui affecte fortement la traînée de pression et les oscillations périodiques des forces aérodynamiques. Des mesures de vitesse par vélocimétrie par images de particules (PIV) ont été réalisées dans une soufflerie à faible turbulence pour caractériser les interactions entre le sillage d'un corps profilé allongé et l’écoulement périodique émanant de la paire de jets synthétiques placées symétriquement à la base du modèle à une distance de ±0,25 h au niveau du bord de fuite. Le nombre de Reynolds, Re, basé épaisseur h de la plaque plane est d'environ 7200. Chacun des jets synthétiques assure une injection de quantité de mouvement Cμ = 24%. Les actionneurs sont excités à une fréquence d’environ 75% la fréquence naturelle de l’allée tourbillonnaire mesurée dans le sillage naturel. Le déphasage entre les signaux d’excitation des actionneurs a été également varié. Les dynamiques des sillages naturel et contrôlé sont analysées à travers les champs moyens de la vitesse, les contraintes de Reynolds et l’identification des structures cohérentes. On a constaté que le mécanisme du contrôle dépend de la phase entre les excitations des actionneurs. Dans le cas d’excitations en phase, une parfaite synchronisation des couches de cisaillement supérieure et inférieure est observée ce qui conduit à une réduction des deux composantes de la trainée (moyenne et turbulente). Les excitations en opposition de phase sont jugées plus efficaces avec une importante réduction de la composante moyenne de la traînée

Simulation numérique du collapse et de l’implosion ultrasonore de bulles de cavitation

La cavitation acoustique est envisagée en thérapie ultrasonore pour la destruction des tissus biologiques et la transfection cellulaire. Certains obstacles liés à la nature très intense du phénomène sont cependant à lever. Dans ce cadre, un code de simulation numérique a été développé avec l’aide des méthodes Level Set et Ghost Fluid afin de prédire les efforts mécaniques exercés sur une paroi biologique lors du collapse et l’implosion de bulles de cavitation engendrés par une onde acoustique ultrasonore

Contrôle par microjets impactants d'un jet à Mach 0.9 : influence du nombre de microjets sur le développement des structures tourbillonnaires générées par le contrôle.

Des essais menés en chambre anéchoïque ont permis d'effectuer la détection des structures cohérentes longitudinales induites par un système de microjets impactant un jet subsonique à haut nombre de Mach et haut nombre de Reynolds. Une analyse statistique d'acquisitions par PIV stéréoscopique a été menée en utilisant le critère topologique Gamma2. La localisation de ces structures dans la couche de mélange et leurs propriétés statistiques (nombre, enstrophie) sont examinées pour déterminer l'influence aérodynamique du nombre de microjets. Le nombre de microjets, qui s'est révélé présenter une valeur optimale pour la réduction du bruit, s'avère dans le même temps imposer le développement des structures dans la couche de mélange

Streaming acoustique dans un puits de culture cellulaire : application à la sonoporation

Le phénomène de sonoporation est intimement lié à l'interaction entre une cellule et une bulle de cavitation. Pour obtenir une information sur le caractère spatial de la cavitation ultrasonore générée, et en vue de la transfection de cellules adhérentes dans un puits de culture biologique, cette étude vise à caractériser le champ acoustique et le streaming dans une cavité non rectangulaire. Pour ce faire, des particules fluorescentes (3µm) sont utilisées sous microscope et permettent de quantifier le champ de déplacement au voisinage de la paroi

Cavitation ultrasonore générée par une excitation bifrequentielle

Une étude expérimentale a été menée pour mesurer le seuil et l’activité de cavitation inertielle pour différentes formes d’onde d’excitation ultrasonore. A niveau d’énergie acoustique donné, l’utilisation d’une onde bifréquentielle permet une augmentation de l’activité de cavitation. Les résultats obtenus démontrent la nonlinéarité du mécanisme mis en jeu et  nous permettent d’envisager des applications à une méthode de thrombolyse exclusivement ultrasonore

Propagation ultrasonore dans des gels modélisant les tissus biologiques

Dans le cadre de l'application à la destruction des tumeurs cancéreuses par ultrasons de forte intensité (projet ANR cavitherapus), nos travaux portent sur l'étude de la propagation des ondes ultrasonores dans des gels qui se comportent comme des tissus biologiques. Afin de valider un modèle\ud de propagation acoustique, une étude expérimentale des propriétés acoustiques et thermiques de différents gels est menée

Interaction d'une bulle de cavitation ultrasonore avec une membrane bilipidique

Dans le contexte de la transfection ultrasonore, une investigation expérimentale a été menée pour étudier la formation de lésions créées par la cavitation ultrasonore sur une membrane bilipidique modèle déposée au fond d'un puits de culture cellulaire. Des visualisations microscopiques ont été réalisées pendant les tirs ultrasonores, ce qui a permis de révéler deux types de lésions intéressantes : des impacts de bulles et des fissures. A partir de mesures couplées en fluorescence et en champ clair, on a pu déduire un modèle de formation de chacun de ces deux types de lésions