Acoustic cavitation in water and a few organic liquids: density and tensile strenght

Cavitation acoustique dans l'eau et quelques liquides organiques : densité et limite de rupture

Arnaud Dominique Arvengas (1)

1 LPS - Laboratoire de Physique Statistique de l'ENS

We report on experimental study of acoustic cavitation in water and some other liquids. The 1st chapter presents first order transitions in metastable regime. The 2nd presents the classical nucleation theory and the nucleation theorem of Oxtoby which enables us to evaluate the critical volume of the bubble in our experiments. Then we report some ways to investigate cavitation. Singularities of water with respect to other liquids are presented, and we show how cavitation investigation could allow understanding them. In the 3rd we describe our acoustic device, and the static pressure method which allows to to measure cavitation pressure. The fiber optic probe hydrophone built for this thesis on the model of Eisenmenger is then thoroughly described. This apparatus allows to measure density at cavitation threshold. Results and analysis are presented, for water, in the 4th, and for D2O, Ethanol, heptanes, DMSO, the 5th chapter. From the results in water, one can see that we are far from the theory. Yet a modification by a constant factor of the surface tension allows predicting our results. Nevertheless critical volume cannot be predicted with this modification. Besides the study of the other liquids shows that our method is able to reach threshold very close to the theory, all the more so the liquid surface tension is smaller.

Cette thèse porte sur l'étude expérimentale de la cavitation acoustique dans l'eau et quelques autres liquides. Le 1er chapitre est consacré à une présentation des transitions de phase du premier ordre dans le régime métastable. Le 2e chapitre présente la théorie de nucléation classique, ainsi que le théorème de nucléation d'Oxtoby qui nous permet d'évaluer le volume de la bulle critique dans nos expériences. Puis un bilan expérimental de quelques méthodes pour étudier la cavitation est dressé. Nous présentons les singularités de l'eau par rapport aux autres liquides et montrons en quoi une étude de la limite de cavitation permettrait de les comprendre. Dans le 3e, nous présentons notre dispositif acoustique ainsi que la méthode de pression statique qui permet de déterminer la pression de cavitation. Nous présentons en détail l'hydrophone à fibre optique construit pour cette thèse sur le modèle de celui d'Eisenmenger, qui permet de mesurer la densité au seuil de cavitation. Les résultats et leur analyse sont présentés, pour l'eau, dans le 4e, pour le D2O, l'éthanol, l'heptane et le DMSO, dans le 5e chapitre. De l'étude de l'eau, il ressort que l'on est très loin de la théorie, et d'un type d'expérience. En revanche une modification par un facteur constant en température, de la tension de surface de l'eau permet de prédire nos résultats en pression, mais pas les volumes critiques de nucléation. Par ailleurs, l'étude dans les autres liquides montre que nous pouvons, par notre méthode, arriver à des résultats proches de la théorie, d'autant plus que la tension de surface du liquide étudié est faible.

Mots clés: phase transition; metastability; negative pressure; optical hydrophone; acoustic; water

Mots clés: Cavitation; transition de phase; métastabilité; pression négative; nucléation; hydrophone optique; acoustique; eau; éthanol; heptane; D2O

Domaines: Mécanique statistique [cond-mat.stat-mech]

Arnaud Dominique Arvengas. Cavitation acoustique dans l'eau et quelques liquides organiques : densité et limite de rupture. Mécanique statistique [cond-mat.stat-mech]. Université Paris-Diderot - Paris VII, 2011. Français. ⟨NNT : ⟩. ⟨tel-00710980⟩