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Modélisation physique du dégazage ultrasonique dans la glycérine

Dégazage ultrasonique utilisant de la glycérine, fournissant un banc d'essai pour des études ultérieures.

dégazage du verre fondu à l'aide de glycérine : preuve de concept visualisée

La glycérine a été choisie pour le dégazage car elle a une viscosité similaire à celle du verre fondu. Comme les expériences sont réalisées à température ambiante, le suivi du processus de cavitation ultrasonique est nettement plus simple. Nous avons utilisé deux configurations expérimentales où nous pouvions observer et enregistrer visuellement le processus de dégazage. En modélisant physiquement le dégazage ultrasonique du verre fondu à l'aide de glycérine, nous pouvons simplifier l'optimisation future du processus.

Cavitation ultrasonique

Cavitation ultrasonique implique l'application d'ondes ultrasonores aux liquides, entraînant la production, la croissance, la pulsation et l'effondrement de microbulles. La cavitation est initiée une fois qu'un niveau d'énergie seuil est atteint, qui est d'environ 0,15 MPa pour la glycérine. Plusieurs milliers de bulles se forment. Celles-ci se dilatent et s'effondrent rapidement, créant des ondes de choc à haute vitesse et des pressions élevées de plusieurs GPa. Des températures élevées localisées se produisent également.

Des bulles de gaz se forment sur les noyaux de cavitation et croissent par diffusion de la glycérine dans la bulle. Si le liquide contient déjà des bulles, celles-ci subissent une croissance par diffusion. Les bulles individuelles coalescent en raison des forces d'attraction entre elles (Bjerknes et Bernoulli forces). En grandissant, leur flottabilité augmente, et elles remontent à la surface et libèrent le gaz dans l'atmosphère.

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Faites glisser les flèches centrales avec votre souris de gauche à droite et vice versa pour voir les images complètes avant et après le dégazage par ultrasons.

Résultats de la cavitation ultrasonique

Des vidéos du processus complet sont disponibles sur YouTube (veuillez vous inscrire pour les regarder) : Dans les deux configurations, la croissance des bulles et leur transport par courant acoustique sont clairement visibles. Le courant acoustique entraîne la formation d'épais nuages de bulles qui atteignent finalement la surface du liquide et se dispersent. Dans la configuration 1, les événements de cavitation se sont produits principalement à la surface du sonotrode, et le premier streamer est apparu après environ 30 secondes. Dans la configuration 2, des streamers se sont formés dans tout le liquide et, en raison de la forme du récipient, les effets des ondes stationnaires, des zones nodales et antinodales, de haute et basse énergie sont observés. Dans les deux zones, on voit les bulles se déplacer les unes vers les autres et fusionner, ce qui montre un potentiel significatif pour un processus d'affinage du verre amélioré.

Avant l'application de l'énergie ultrasonique aux échantillons, ils contenaient tous deux de nombreuses micro-bulles les rendant semi-opaques. Au fil du temps, les bulles ont été éliminées et les échantillons de glycérine se sont clarifiés. La figure 1 montre la glycérine dans le montage expérimental 1 avant et après l'expérience. La figure 2 montre l'échantillon expérimental et l'échantillon témoin avant et après l'application des ultrasons dans le montage 2. Dans le montage 1, environ 4,5 litres de glycérine ont été clarifiés en dix minutes.

Configuration expérimentale

Deux configurations expérimentales ont été utilisées. La première (configuration 1) consistait en un bol de 4,5 litres de glycérine contenant la sonotrode en céramique. La seconde (configuration 2) était une cellule d'observation en verre de quartz remplie de glycérine, de dimensions H 63 x L 35 x P 10 mm, à laquelle une énergie ultrasonore externe a été appliquée. La seconde configuration comprenait également un échantillon témoin identique auquel aucune énergie ultrasonore n'a été appliquée.

La sonotrode en céramique utilisée dans le montage 1 a été spécialement développée pour éliminer les ondes stationnaires à 20 kHz. Cela élimine le risque de fissuration.

Conclusion

Les schémas de cavitation ultrasonique étaient clairement visibles dans la glycérine dans les résultats des deux configurations expérimentales, démontrant que ce modèle physique est un excellent moyen d'étudier le dégazage dans des milieux visqueux tels que le verre fondu.

Le dégazage par ultrasons du verre fondu présente de nombreux avantages par rapport aux méthodes de dégazage conventionnelles. Par exemple, il est plus rapide, consomme considérablement moins d'énergie et n'utilise aucun additif toxique. De plus, la modélisation physique du processus à l'aide de glycérine offre un moyen idéal d'étudier et d'optimiser davantage le processus.