CAUSTIQUES EN CHAMP PROCHE GENEREES PAR DES PARTICULES TRANSPARENTES RECONSTRUCTION PAR HOLOGRAPHIE NUMERIQUE EN LIGNE

International audienceL'holographie numerique en ligne est une technique d'imagerie volumetrique particulierement adaptee a la caracterisation spatiale (position, vitesse et tailles/morphologies) des ecoulements particulaires dilues. Dans de nombreux domaines la connaissance de la composition des particules est aussi d'un grand interet. Nous realisons cette mesure avec l'holographie numerique en ligne par l'analyse du champ proche des particules. Dans cette region les contributions des differents processus de diffusion de la lumiere peuvent etre plus facilement distinguees et notamment les caracteristiques du jet photonique (caustique vers l'avant generee par les rayons simplement refractes). La localisation dans l'espace du maximum d'intensite de cette caustique permet d'estimer l'indice de refraction relatif des particules. Dans cette communication, nous montrons que, dans le cadre de l'approximation de Fresnel de la diffraction scalaire, le jet photonique reconstruit par holographie numerique correspond a la tache d'Airy d'une lentille spherique. Par analogie avec les notions d'images virtuelles et reelles employees en optique pour les lentilles convergentes et divergentes, cette tache est restituee de facon reelle pour les particules ayant un indice relatif superieur a un et de facon virtuelle pour les particules dont l'indice relatif est plus petit que l'unite. Ceci fournit une solution simple et numeriquement tres efficace pour differencier ou caracteriser la composition des particules solides, liquides ou gazeuses. Une validation experimentale en laboratoire sur un ecoulement triphasique montre qu'il est desormais possible d'obtenir simultanement la position dans l'espace, la vitesse, la trajectoire, la taille et la composition de particules en ecoulement

Experimental study of enhanced mixing induced by particles in Taylor–Couette flows

Local mixing dynamics was recently investigated experimentally in Taylor–Couettesingle-phase flow, thanks to simultaneous Particle Image Velocimetry (PIV) and PlanarLaser-Induced Fluorescence (PLIF) techniques. The results highlighted the influence of thesuccessive flow bifurcations and the role of azimuthal wave states on the dispersion of dyeinjected in Taylor–Couette flows.The present work extends this study to two-phase configurations with spherical solidparticles. The respective effect of particle size and concentration on the vortices size andtransition thresholds between the various flow regimes has been examined thanks to flowvisualizations and PIV measurements. These hydrodynamic features have been comple-mented with PLIF experiments, that revealed a drastic enhancement of mixing due to thepresence of particles regardless of the flow regime, highlighting the existence of significantparticle-induced mixing in Taylor–Couette flows

Experimental investigation of mixing efficiency in particle‑laden Taylor–Couette flows

This paper reports on original experimental data of mixing in two-phase Taylor–Couette flows. Neutrally buoyant particles with increasing volume concentration enhance significantly mixing of a passive tracer injected within the gap between two concentric cylinders. Mixing efficiency is measured by planar laser-induced fluorescence coupled to particle image velocimetry to detect the Taylor vortices. To achieve reliable experimental data, index matching of both phases is used together with a second PLIF channel. From this second PLIF measurements, dynamic masks of the particle positions in the laser sheet are determined and used to calculate accurately the segregation index of the tracer concentration. Experimental techniques have been thoroughly validated through calibration and robustness tests. Three particle sizes were considered, in two different flow regimes to emphasize their specific roles on the mixing dynamics

A 3D STOCHASTIC MODEL FOR GEOMETRICAL CHARACTERIZATION OF PARTICLES IN TWO-PHASE FLOW APPLICATIONS

In this paper a new approach to geometrically model and characterize 2D silhouette images of two-phase flows is proposed. The method consists of a 3D modeling of the particles population based on some morphological and interaction assumptions. It includes the following steps. First, the main analytical properties of the proposed model – which is an adaptation of the Matérn type II model – are assessed, namely the effect of the thinning procedures on the population’s fundamental properties. Then, orthogonal projections of the model realizations are made to obtain 2D modeled images. The inference technique we propose and implement to determine the model parameters is a two-step numerical procedure: after a first guess of the parameters is defined, an optimization procedure is achieved to find the local minimum closest to the constructed initial solution. The method was validated on synthetic images, which has highlighted the efficiency of the proposed calibration procedure. Finally, the model was used to analyze real, i.e., experimentally acquired, silhouette images of calibrated polymethyl methacrylate (PMMA) particles. The population properties are correctly evaluated, even when suspensions of concentrated monodispersed and bidispersed particles are considered, hence highlighting the method’s relevance to describe the typical configurations encountered in bubbly flows and emulsions

Investigation of a microfluidic approach to study very high nucleation rates involved in precipitation processes

A microfluidic device has been specially developed to enable the study of fast nucleation kinetics involved in precipitation processes. This setup allows drops of two different reagents to be generated synchronously and to coalesce, and ensure the mixing of their reactants within few milliseconds. The results presented in this paper show that droplet based microfluidic devices are promising tools for studying high nucleation rates involved in precipitation processes. By using the stochastic nature of the nucleation process and the effect of the confinement on the induction time, a tailored microfluidic device has been used to measure nucleation rates as high as J=7.68×1013 m−3 s−1. Moreover, kinetic data deriving from nucleation experiments were found in good agreement with data deriving from “conventional” technics

Broadcasting photonic lab on a chip concept through a low cost manufacturing approach

A low cost fabrication process for photonic lab on a chip systems is here proposed. For the implementation of the masters suitable for cast molding fabrication, an inexpensive dry film photoresist, patternable using standard laboratory equipment, is benchmarked against standardized SU-8 masters obtained using UV lithography and systems manufacture in clean room facilities. Results show adequate system fabrication and a comparable performance of the photonic structures for absorbance/extinction measurements

In line digital holography measurement for liquid-liquid flow : application to the characterization of emulsions produced in pulsed column

De nombreux procédés de la recherche et de l'industrie utilisent l'extraction liquide-liquide, technique qui permet la séparation sélective de produits au sein d'un mélange. À cet effet, deux liquides non miscibles sont mis en contact : une phase aqueuse et une phase organique, l'une contenant généralement une molécule extractante capable de transférer les éléments désirés à l'autre. Le transfert se produit à la surface de contact entre les deux phases. Après le transfert, les deux phases sont séparées par décantation. Dans la pratique, ces opérations sont effectuées dans des appareils industriels. Pour optimiser et comprendre le fonctionnement de ces dispositifs, il est important de déterminer les caractéristiques fondamentales de l'émulsion. Il s'agit notamment des paramètres liés à la vitesse des écoulements ainsi que ceux liés au mélange des fluides comme l'aire interfaciale, le taux de rétention, ou la distribution en taille de la population de gouttes. Plusieurs techniques d'imagerie peuvent être utilisées pour les mesurer. L'une d'elles, l'holographie numérique, est bien connue pour permettre la reconstruction complète en 3D d'un écoulement à partir d'une seule acquisition. Ce travail de thèse traite d'une application de l'holographie numérique en ligne directement sur des gouttes en mouvement dans une phase liquide continue. La taille des gouttes a imposé l'exploration d'un régime de diffraction peu étudié à ce jour. Dans ce domaine, le modèle du disque opaque classiquement employé n'est pas valide et un meilleur accord est obtenu avec un modèle mixte lui associant une lentille mince. La focalisation des hologrammes est réalisée via une méthode dédiée et automatique qui a été établie à partir d'une étude complète de la littérature. Dans un deuxième temps, afin de mesurer des rétentions plus élevées, elle est complétée par une approche inverse permettant de corriger les mauvais positionnements et de restituer les gouttes non détectées. Ce traitement a été appliqué à des résultats expérimentaux, sur un dispositif de référence produisant des gouttes calibrées, et comparé à des mesures indépendantes. Ces essais ont validé la pertinence de l'holographie pour la caractérisation des émulsions.Several processes used in research and industry are based on liquid-liquid extraction, a method designed for selective separation of products in a mixture. In liquid-liquid extraction, two immiscible liquids are contacted: an aqueous phase and an organic phase, one of which generally contains an extractant molecule capable of transferring the desired elements to the other phase. The transfer occurs at the contact surface between the two phases. After transfer, both phases are separated by settling. In practice, these operations are performed in industrial apparatus. In order to optimize the operation of these devices, it's important to determine the fundamental characteristics of the emulsion. These include parameters related to the fluid flow velocity as well as parameters related to fluid mixing such as the interfacial area, hold-up, and size distribution of the droplets population. Numerous imaging techniques can be used to measure these parameters. One of them, digital holography, is well-known for allowing complete reconstruction of information about a 3D flow in a single shot. This PhD work deals with a direct application of digital in line holography to droplets rising in a continuous liquid phase. The droplet size imposes a regime of intermediate-field diffraction hardly explored to date. Acquired diffraction patterns show that the usual dark disk model is not valid and that good agreement is obtained with a mixed model coupling thin lens with opaque disk. Hologram focusing is nevertheless performed with a dedicated automated method. A literature review has been conducted to identify the sharpest autofocus function for our application. In a second step, in order to measure high retention rates, an inverse problem approach is applied on all the outliers and missing droplets. This hologram restitution treatment has been applied to experimental results with a comparison to independent measurements. The main results obtained with calibrated droplets are presented detailing the test device and instrumentation. They have validated the relevance of holography for the characterization of emulsions

Mesure d’un écoulement diphasique liquide/liquide par holographie numérique en ligne : application à la caractérisation des émulsions en colonne pulsée

Several processes used in research and industry are based on liquid-liquid extraction, a method designed for selective separation of products in a mixture. In liquid-liquid extraction, two immiscible liquids are contacted: an aqueous phase and an organic phase, one of which generally contains an extractant molecule capable of transferring the desired elements to the other phase. The transfer occurs at the contact surface between the two phases. After transfer, both phases are separated by settling. In practice, these operations are performed in industrial apparatus. In order to optimize the operation of these devices, it's important to determine the fundamental characteristics of the emulsion. These include parameters related to the fluid flow velocity as well as parameters related to fluid mixing such as the interfacial area, hold-up, and size distribution of the droplets population. Numerous imaging techniques can be used to measure these parameters. One of them, digital holography, is well-known for allowing complete reconstruction of information about a 3D flow in a single shot. This PhD work deals with a direct application of digital in line holography to droplets rising in a continuous liquid phase. The droplet size imposes a regime of intermediate-field diffraction hardly explored to date. Acquired diffraction patterns show that the usual dark disk model is not valid and that good agreement is obtained with a mixed model coupling thin lens with opaque disk. Hologram focusing is nevertheless performed with a dedicated automated method. A literature review has been conducted to identify the sharpest autofocus function for our application. In a second step, in order to measure high retention rates, an inverse problem approach is applied on all the outliers and missing droplets. This hologram restitution treatment has been applied to experimental results with a comparison to independent measurements. The main results obtained with calibrated droplets are presented detailing the test device and instrumentation. They have validated the relevance of holography for the characterization of emulsions.De nombreux procédés de la recherche et de l'industrie utilisent l'extraction liquide-liquide, technique qui permet la séparation sélective de produits au sein d'un mélange. À cet effet, deux liquides non miscibles sont mis en contact : une phase aqueuse et une phase organique, l'une contenant généralement une molécule extractante capable de transférer les éléments désirés à l'autre. Le transfert se produit à la surface de contact entre les deux phases. Après le transfert, les deux phases sont séparées par décantation. Dans la pratique, ces opérations sont effectuées dans des appareils industriels. Pour optimiser et comprendre le fonctionnement de ces dispositifs, il est important de déterminer les caractéristiques fondamentales de l'émulsion. Il s'agit notamment des paramètres liés à la vitesse des écoulements ainsi que ceux liés au mélange des fluides comme l'aire interfaciale, le taux de rétention, ou la distribution en taille de la population de gouttes. Plusieurs techniques d'imagerie peuvent être utilisées pour les mesurer. L'une d'elles, l'holographie numérique, est bien connue pour permettre la reconstruction complète en 3D d'un écoulement à partir d'une seule acquisition. Ce travail de thèse traite d'une application de l'holographie numérique en ligne directement sur des gouttes en mouvement dans une phase liquide continue. La taille des gouttes a imposé l'exploration d'un régime de diffraction peu étudié à ce jour. Dans ce domaine, le modèle du disque opaque classiquement employé n'est pas valide et un meilleur accord est obtenu avec un modèle mixte lui associant une lentille mince. La focalisation des hologrammes est réalisée via une méthode dédiée et automatique qui a été établie à partir d'une étude complète de la littérature. Dans un deuxième temps, afin de mesurer des rétentions plus élevées, elle est complétée par une approche inverse permettant de corriger les mauvais positionnements et de restituer les gouttes non détectées. Ce traitement a été appliqué à des résultats expérimentaux, sur un dispositif de référence produisant des gouttes calibrées, et comparé à des mesures indépendantes. Ces essais ont validé la pertinence de l'holographie pour la caractérisation des émulsions

Holographie numerique en ligne pour la caracterisation de la phase dispersee d'un ecoulement liquide/liquide en geometrie astigmate

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