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Granulométrie optique des écoulements

La granulométrie a pour objet la mesure de la répartition statistique de la taille et de la forme de – particules – un terme générique désignant ici indifféremment des gouttes, des bulles, des particules et agrégats solides. Quand elle est optique et appliquée aux écoulements à phase(s) dispersée(s), elle doit caractériser de manière in situ ces particules, sans perturber l’écoulement qui peut être réactif et distant, et ceci, avec une réponse temporelle adéquate du point de vue de la dynamique du système étudié. La détermination de la concentration locale en particules et autres statistiques normées nécessite de déterminer les dimensions effectives du volume optique de mesure de la technique. Ce volume de mesure est certainement l’un des paramètres les plus difficiles à obtenir avec précision car il évolue constamment, avec les caractéristiques des particules mais aussi les conditions de la mesure. L’existence de corrélations taille-vitesse nécessite la détermination de la dynamique des particules, pour obtenir les flux, mais aussi pour fiabiliser les statistiques.

La plupart des techniques de granulométrie optique, à l’exception de certaines techniques d’imagerie, nécessitent une description précise des propriétés de diffusion et d’absorption des ondes électromagnétiques par les particules. En effet, à partir d’une simple intensité lumineuse diffusée, d’un interfrange ou d’un spectre d’extinction, il faut pouvoir en déduire, en quelques micro ou millisecondes, des propriétés intrinsèques ou extrinsèques parfois complexes. Ce qui explique que nombre de techniques granulométriques n’ont véritablement été opérationnelles qu’à partir des années 1990, avec les progrès des modèles de diffusion de la lumière et des méthodes de régularisation, l’augmentation des capacités des ordinateurs personnels, mais aussi de l’électronique de détection et des sources laser.

Les techniques de granulométrie optique sont toutes limitées à une gamme de taille et de concentration, et des morphologies de particules données. ll y a trois raisons principales à cela. Premièrement, si caractériser des particules nano à millimétriques revient à couvrir six ordres de grandeur dimensionnels, cela correspond approximativement à près de vingt-quatre ordres de grandeur en termes d’intensité diffusée – une dynamique impossible à mesurer. Deuxièmement, les modes de diffusion de la lumière des particules dépendent fortement de leur taille et morphologie. Troisièmement, la densité optique de l’écoulement particulaire perturbe la propagation des faisceaux laser, mais aussi le flux diffusé par les particules et notre capacité à interpréter des signaux brouillés par la diffusion multiple.

Pour toutes ces raisons, la granulométrie optique des écoulements est une discipline complexe, avec de très nombreuses ramifications et cas particuliers. Cet article se focalise sur les principales techniques employées pour caractériser les écoulements optiquement dilués où les particules sont essentiellement nano à micrométriques, voire millimétriques. La première partie introductive de cet article porte sur les caractéristiques des particules à analyser, leurs propriétés de diffusion de la lumière, les différentes grandeurs statistiques d’intérêt et une classification des principales techniques de granulométrie. La seconde partie traite des techniques de diffraction dans le champ lointain ; la troisième, des techniques interférométriques ; la quatrième, des techniques d’imagerie et la cinquième, de techniques complémentaires basées sur l’extinction, l’incandescence induite par laser, la polarisation ou le mouvement brownien. Viennent ensuite une conclusion générale et des éléments bibliographiques.