Écoulements générés en milieu fluide par une onde ultrasonore focalisée : streaming acoustique et écoulement de particules solides

Flows generated by a focused ultrasound wave in a liquid medium : acoustic streaming and solid particles flow

• Auteur / Autrice : Rafika Ben Haj Slama
• Direction : Jean-Christophe Béra, Bruno Gilles, Maher Ben Chiekh
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique des fluides et acoustique
• Date : Soutenance le 22/01/2018
• Etablissement(s) : Lyon en cotutelle avec École nationale d'Ingénieurs de Monastir (Tunisie)
• Ecole(s) doctorale(s) : Ecole doctorale Mécanique, Energétique, Génie Civil, Acoustique (Villeurbanne ; 2011-....)
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : Université Claude Bernard (Lyon ; 1971-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire des applications Thérapeutiques des Ultrasons
• Jury : Président / Présidente : Abdelmajid Jemni
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Jean-Christophe Béra, Bruno Gilles, Maher Ben Chiekh
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Dalila Elhmaidi-Ouesleti, Florence Elias

Mots clés

Mots clés contrôlés

Vélocimétrie par images de particules

Courant acoustique

Mécanique des fluides

Mots clés libres

Ultrasons focalisés

Écoulements

Streaming acoustique

Force de radiation

PIV

CFD

Jet circulaire

Focused ultrasound

Flows

Acoustic streaming

Radiation force

PIV

CFD

Circular jet

Résumé

Les travaux de recherche du présent projet se situent dans le contexte général de l'optimisation de la technique de sono-thrombolyse (destruction d'un caillot sanguin ou d'un thrombus par cavitation ultrasonore). En effet, certes cette technique a plusieurs avantages par rapport à la solution chirurgicale, mais elle présente des limitations qui sont principalement le risque de libération de fragments du thrombus, susceptibles d'engendrer l'embolie pulmonaire. Face à ces limites actuelles que de la technique de sono-thrombolyse, s'est imposée la nécessité de pousser plus loin les recherches pour mieux comprendre les mécanismes qui la régissent. D'où le projet de la présente thèse qui s'intéresse plus particulièrement aux écoulements générés lors de l'application des ultrasons focalisés dans un liquide. L'objet du présent travail consiste à étudier minutieusement les phénomènes hydrodynamiques et acoustiques, en particulier le streaming acoustique du fluide et la force de radiation ultrasonore agissant sur les particules solides. Cela permettra d'obtenir une connaissance profonde des phénomènes hydrodynamiques se produisant lors de l'application des HIFU dans un milieu liquide chargé de particules.La technique optique de PIV a été adoptée pour mesurer l'écoulement du fluide ainsi que des particules solides. Ceci a permis de caractériser le streaming acoustique induit par la propagation des ultrasons focalisés dans un milieu liquide infini, de le comparer à un écoulement classique de type jet circulaire libre, et de déterminer un diamètre critique au-dessus du quel l'écoulement des particules solides sphériques dans un liquide est dominée par la force de radiation ultrasonore plutôt que par l'entrainement du streaming acoustique. Comme approche numérique, un outil de simulation CFD a été utilisé afin de modéliser le même écoulement de streaming en question et afin de comparer les résultats numériques avec les résultats expérimentaux obtenus

The research work of this project is provided in the context of sono-thrombolysis technique optimization (blood clot or thrombus destruction by ultrasonic cavitation). Indeed, although this technique has several advantages over the surgical solution, but it has limitations that are mainly the risk of thrombus fragments releasing in the circulation, likely to induce pulmonary embolism.In view of these sono-thrombolysis technique current limitations, it has become necessary to carry out further research to better understand the mechanisms that govern it. Hence, comes the project of the present thesis, which is particularly interested in the flows generated by the application of focused ultrasound in a liquid. The purpose of the present work is to accurately study the hydrodynamic and acoustic phenomena, in particular the fluid acoustic streaming and the ultrasound radiation force acting on solid particles. This would provide a deep understanding of the hydrodynamic phenomena occurring during HIFU (High Intensity Focused Ultrasound) application in a liquid medium with particles.Particle Image Velocimetry (PIV) optical technique has been adopted to measure the fluid flow as well as solid particles flow. This allowed us to characterize the focused ultrasound induced acoustic streaming in an infinite liquid medium, to compare it with a conventional circular free jet flow, and to determine a critical diameter above which solid spherical particles flow in a liquid is dominated by the radiation force rather than the acoustic streaming drag force. As a numerical approach, a CFD (Computational Fluid Dynamics) simulation tool was used to model the same streaming flow and to compare the numerical results with the experimental obtained ones