Particle systems characterization by inversion of critical light scattering patterns

by Mariusz, Andrzej Krzysiek

Doctoral thesis in Ingénierie mécanique et électronique

Under the supervision of Fabrice Onofri and Janusz Mroczka.

defended on 2009

in Aix-Marseille 1 and the jointly supervising institution Wroclaw University of Technology , in a partnership with Université de Provence. Section sciences (autre partenaire) and Institut universitaire des systèmes thermiques industriels (IUSTI) (Marseille) (autre partenaire) .

Abstract

Ce manuscrit présente mes travaux de thèse, réalisés en “cotutelle” entre le laboratoire IUSTI, unité mixte de recherche du CNRS et de l’Université de Provence (France), et la Chaire de Métrologie Electronique et Photonique de l’Université Technologique de Wroclaw (Pologne). L'objectif principal de ce travail de recherche est d'étudier les propriétés des diagrammes de diffusion produits au voisinage de l’angle critique par des nuages de bulles. Puis en second lieu, de proposer et de tester les potentialités d’une méthode optique nouvelle, fondée sur l’analyse de la diffusion critique, qui permet de remonter aux caractéristiques granulométriques et à la composition du nuages de bulles et ceci, en vue d’applications possibles dans le domaine de la Mécanique des Fluides

keywords

• Bulles -- Dynamique
• Écoulement polyphasique
• Granulométrie

Abstract

This Ph. D. Work deals with the scattering of light by a cloud of bubbles (i. E. Particles with relative refractive index below unit) near the critical-scattering-angle. Under a single scattering assumption, a critical scattering pattern (CSP) can be accurately modeled with the Lorenz-Mie theory and a Fredholm integral of the first kind. A CSP is basically composed of several bows that are very similar to those observed in the forward diffraction zone and the rainbow region. By measuring the angular spreading, the visibility and the global position of these bows it is possible to deduce the bubbles mean size, polydispersion and mean refractive index (i. E. Composition). We have developed several inverse methods and experiments to recover these properties, demonstrating the validity of what can be called the “Critical-Angle Refractometry and Sizing” (CARS) technique. Various effects like the laser Gaussian intensity profile or the laser beam spectrum width have also been studied. This new optical particle characterization technique is thought to be a useful tool to study real bubbly flows as well as for laboratory experiments requiring bubbles material recognition.