Mesure acoustique des suspensions granulaires dans l'air turbulent

Les suspensions diluées dans lesquelles les particules solides sont transportées par un gaz turbulent sont présentes dans divers contextes géophysiques. Les exemples incluent les tempêtes de sable, les avalanches de neige et les courants de densité pyroclastiques. Les propriétés de ces suspensions, telles que la vitesse d’écoulement, la pression dynamique et la distance de parcours, sont, dans une large mesure, déterminées par la concentration de particules. Cependant, cette concentration reste difficile à mesurer expérimentalement en raison de l’opacité optique du milieu due à la diffusion de la lumière par les particules, ce qui complique l'observation tridimensionnelle des suspensions.

Des chercheurs ont mis au point une technique qui permet de mesurer, par méthode acoustique, la concentration solide locale dans des suspensions turbulentes d’air et de particules. Ils ont observé deux caractéristiques importantes de ces mélanges biphasés : le gaz turbulent met en suspension les particules jusqu’à une concentration critique (maximale), et cette concentration critique est contrôlée par la formation d’amas de particules qui apparaissent néanmoins à des concentrations inférieures.

Ces résultats ont été obtenus en menant des expériences dans un conteneur rectangulaire dans lequel des billes de verre d'un diamètre de 77 ou 155 micromètres étaient suspendues par un flux d'air vertical ascendant. Les chercheurs ont mesuré la propagation balistique des ultrasons à travers la suspension. Puis, ils ont extrait la concentration des particules à partir de l'atténuation et de la vitesse de phase des ondes ultrasonores sur la base de modèles de diffusion d’ondes acoustiques et d'hydrodynamique d’un milieu diphasique. Ce projet apporte un nouvel outil pour étudier expérimentalement les processus fondamentaux des mélanges turbulents de gaz et de particules. Ce point est particulièrement critique pour la compréhension des phénomènes naturels comme les courants de densité pyroclastiques dont l’observation directe est pratiquement impossible.