Thesis by BEN HAJ SLAMA Rafika
Flows generated by a focused ultrasound wave in a liquid medium: Acoustic streaming and solid particles flow
Defended on 22 january 2018
The present thesis relates to flows generated by focused ultrasound in homogeneous liquid and in liquid charged with particles. Experimental work in water, using Particle Image Velocimetry (PIV) optical technique and CFD (Computational Fluid Dynamics) numerical modeling using Fluent simulation tool, allow as to study involved hydrodynamic and acoustic phenomena : the fluid acoustic streaming and ultrasound radiation force acting on solid particles. This work is provided in the general context of sono-thrombolysis technique (blood clot destruction by ultrasonic cavitation) optimization, where issues related to thrombolytic agents mixing enhancement and to the risk of clot fragments release in the circulation, arise. Firstly, this work allowed to evaluate the PIV technique for flow measurement in the particular case of high intensity focused ultrasound field presence, where radiation force is likely to influence the seeding particles movement. Indeed, numerical and experimental results comparison has shown that only 5µm-diameter particles are suitable for streaming measurement. In a second time, we managed to characterize the acoustic streaming in an infinite liquid medium and to compare it with a circular free jet flow. Results related to this characterization showed that the streaming flow, even if it presents structural differences compared to this conventional jet, it has important common characteristics, in particular, related to a self-similarity zone existence. Furthermore, an analysis of radiation force effect on suspended solid particles was carried out. In that, we managed to determine a critical diameter above which solid particles flow is dominated by the ultrasound radiation force rather than the streaming drag force.
Ecoulements générés en milieu fluide par une onde ultrasonore focalisée : streaming, écoulements de bulles et de particules solides
Soutenue le 22 January 2018
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
Defended on 22 january 2018
The present thesis relates to flows generated by focused ultrasound in homogeneous liquid and in liquid charged with particles. Experimental work in water, using Particle Image Velocimetry (PIV) optical technique and CFD (Computational Fluid Dynamics) numerical modeling using Fluent simulation tool, allow as to study involved hydrodynamic and acoustic phenomena : the fluid acoustic streaming and ultrasound radiation force acting on solid particles. This work is provided in the general context of sono-thrombolysis technique (blood clot destruction by ultrasonic cavitation) optimization, where issues related to thrombolytic agents mixing enhancement and to the risk of clot fragments release in the circulation, arise. Firstly, this work allowed to evaluate the PIV technique for flow measurement in the particular case of high intensity focused ultrasound field presence, where radiation force is likely to influence the seeding particles movement. Indeed, numerical and experimental results comparison has shown that only 5µm-diameter particles are suitable for streaming measurement. In a second time, we managed to characterize the acoustic streaming in an infinite liquid medium and to compare it with a circular free jet flow. Results related to this characterization showed that the streaming flow, even if it presents structural differences compared to this conventional jet, it has important common characteristics, in particular, related to a self-similarity zone existence. Furthermore, an analysis of radiation force effect on suspended solid particles was carried out. In that, we managed to determine a critical diameter above which solid particles flow is dominated by the ultrasound radiation force rather than the streaming drag force.
Ecoulements générés en milieu fluide par une onde ultrasonore focalisée : streaming, écoulements de bulles et de particules solides
Soutenue le 22 January 2018
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
