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1 IUSTI - Institut universitaire des systèmes thermiques industriels

Abstract : This 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 has been shown that can deduce the bubbles mean size, poly-dispersion and mean refractive index i.e. composition. The inverse experimental CSP we have developed several inverse methods and experiments that clearly demonstrate 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 useful tool to study real bubbly flows as well as for laboratory experiments requiring bubbles material recognition.

Résumé : Ce travail de thèse de doctorat étudie la diffusion de la lumière par des nuages de bulles au voisinage de l-angle de diffusion critique. Les bulles sont définies comme des particules dont l-indice de réfraction relatif est inférieur à l-unité. Dans l-hypothèse d-un régime de diffusion simple, le diagramme de diffusion critique produit par un ensemble de bulles peut être modélisé à l-aide de la théorie de Lorenz-Mie et d-une intégrale de Fredholm du premier type. Fondamentalement, ces diagrammes sont composés d-arcs ou franges circulaires qui présentent de grandes similarités avec ceux observés dans la zone de diffraction vers l-avant ou la région de l-angle d-arc-en-ciel. Il existe un lien clair entre l-étalement angulaire, la visibilité et la position globale de ces arcs avec le diamètre moyen, la dispersion et l-indice de réfraction c.-à-d. composition des bulles diffusantes. Différents effets particuliers ont été étudiés, comme ceux liés au profil d-intensité gaussien du faisceau laser incident, les effets de filtrage spatial de l-optique de Fourier, la non sphéricité des bulles, la possibilité de produire l-équivalent d-un arc-en-ciel sous-marin. Des simulations numériques, ainsi que la mise au point de différentes méthodes d-inversion et expériences ont permis de démontrer la validité et la fiabilité de ce que nous avons appelé la « Critical-Angle Refractometry and Sizing CARS technique ». Au delà des aspects fondamentaux, cette nouvelle méthode optique de caractérisation de particules s-avère prometteuse pour l-étude des écoulements à bulles et plus particulièrement quand la composition des bulles est recherchée.

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Keywords : Critical-angle bubbles light scattering Lorenz-Mie theory physical optics approximation inverse problem sizing refractometry multiphase flows.

Mots-clés : écoulements multiphasiques réflexion totale bulles diffusion critique théorie de Lorenz-Mie optique physique problème inverse granulométrie réfractométrie composition écoulements multiphasiques.





Author: Mariusz Krzysiek -

Source: https://hal.archives-ouvertes.fr/



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