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Analyse expérimentales et numérique des écoulements générés par une onde ultrasonore focalisée

PHC : Utique
Codes du projet : 16G1107 -- Campus N° 34886WB
Domaine : Sciences de l'ingénieur (SI)
Intitulé : Analyse expérimentales et numérique des écoulements générés par une onde ultrasonore focalisée
Porteur(s) : BERA Jean Christophe, BEN CHIEKH Maher
Date de début : 01/01/2016
Date de fin : 31/12/2018

L’utilisation d’ondes acoustiques focalisées de forte intensité permet de générer, à distance de la source, de très fortes fluctuations de pression dans le voisinage du foyer de l’onde. Cette technique est pour l’heure mise en œuvre dans des applications médicales de chirurgie extracorporelle, permettant d’agir à l’intérieur d’organes comme le rein ou la prostate avec une source ultrasonore située à l’extérieur du corps et donc sans ouverture chirurgicale. Différents mécanismes sont mis en jeu dans ce phénomène : l’effet mécanique de l’onde de pression (onde de choc), L’échauffement du milieu lié à la dissipation thermique de l’onde ultrasonore et la cavitation acoustique. En particulier, ce dernier phénomène de cavitation acoustique, qui correspond à la génération de nuages de bulles localisés qui oscillent et éventuellement implosent sous l’effet du champ acoustique, permet d’envisager de nouvelles applications très prometteuses, pour l’industrie (en sono-chimie par exemple) ou pour la thérapie (telles que la thrombolyse extracorporelle ou la transfection génique). Les ondes ultrasonores focalisées exercent également une force volumique de moyenne non nulle sur le fluide et entrainent un écoulement permanent : c’est l’effet d’écoulement acoustique (en anglais : acoustic streaming). Là aussi, des applications industrielles sont envisagées, notamment pour améliorer le mélange (par exemple pour assurer une cristallisation parfaitement homogène de semiconducteurs).
Les écoulements de streaming acoustique interviennent de manière souvent non maîtrisée dans les applications des ultrasons focalisées de forte intensité. Cependant, bien que ce phénomène ait fait l’objet de plusieurs travaux théoriques, peu d’entre eux comparent explicitement des résultats théoriques et expérimentaux notamment dans des configurations proches de celles mises en oeuvre dans les applications récentes des ultrasons focalisés. A notre connaissance, les mesures quantitatives simultanées des champs acoustique et hydrodynamique dans la littérature se comptent sur les doigts d’une main [2] et ne décrivent pas les configurations d’ondes focalisées couramment utilisées dans le domaine médical, ce qui pénalise fortement la validation des modèles théoriques. En outre, utiliser le streaming acoustique comme un outil d’ingénierie nécessiterait de pouvoir s’appuyer sur des modèles fiables dans des simulations numériques. Il est donc essentiel d’établir une base de données expérimentales (un benchmark) sur laquelle s’appuyer pour valider les modèles et déterminer leurs limites d’application. Les travaux antérieurs réalisés dans le cadre de la collaboration entre le LESTE et le LabTAU sur la thrombolyse [3-4] ont montré que dans le cadre de traitement médicaux cardiovasculaire, il serait possible de détruire des caillots sanguins par voie extracorporelle en utilisant des ultrasons focalisés. Le principal mécanisme avancé pour l’action des ultrasons sur un caillot sanguin est l’action mécanique d’implosion des microbulles de cavitation sous l’effet de l’onde de forte intensité. Cependant, on a constaté le développement des micro-écoulements complexes qui se manifestent au sein du milieu fluide et qui sont liés aux conséquences de la cavitation. Par ailleurs, ce « micro-streaming » pourrait être exploité pour augmenter la pénétration locale dans le caillot sanguin traité de produits pharmacologiques thrombolytiques, augmentant potentiellement l’efficacité de ces produits. On retrouve donc là encore une potentielle exploitation du streaming acoustique.
Dans le but d’améliorer la maîtrise des phénomènes constatés dans un milieu fluide soumis à une onde ultrasonore focalisée et de les exploiter comme un outil d’ingénierie, les deux équipes de Monastir et de Lyon ont initié depuis l’année passée une collaboration sur les écoulements de streaming acoustique, afin de comprendre les mécanismes et leurs limites, et d’optimiser les équipements disponibles. Dans le cadre de la thèse de Mlle Haj Slama débutée fin 2013, on s’est fixé comme objectif l’étude des écoulements générés en milieu fluide par une onde ultrasonore focalisée, de type streaming, écoulements de bulles et de particules solides. Pour le moment, le sujet est traité par voie numérique où les efforts hydrodynamiques et la pression de radiation acoustique exercés sur les particules relâchées lors d’un traitement par thrombolyse ultrasonore sont étudiés.
A travers le présent projet, nous souhaitons convertir la thèse déjà entamé à Monastir en une thèse en cotutelle et ajouter un volet expérimental à l’étude projetée. Par ailleurs, en cas d’accord pour le présent projet, une deuxième étudiante (deuxième thèse en co-tutelle) sera engagée sur la même thématique en s’intéressant en particulier à l’étude des interactions entre l’écoulement fluide et une paroi souple lors de l’utilisation des ondes ultrasonores focalisées.

Objectifs

L’utilisation du streaming acoustique comme outil d’ingénierie nécessitant de pouvoir s’appuyer sur des modèles fiables dans des simulations numériques, ce projet vise à établir une base de données expérimentales (un benchmark) sur laquelle s’appuyer pour valider les modèles et déterminer leurs limites d’application. L’objectif des travaux proposés est donc de construire un modèle numérique, validé par des mesures expérimentales dans l’eau, et qui puisse nous aider à prédire l’écoulement généré par le streaming acoustique dans de nouvelles configurations ou pour des liquides moins accessibles expérimentalement comme le sang. Afin de fournir un outil de modélisation pour l’industrie, on s’attachera à utiliser des logiciels commerciaux, accessibles et d’utilisation simple pour l’ingénieur.

Résultats

Le travail consiste à réaliser des simulations numériques sur un logiciel commercial tout en s’appuyant sur des validations expérimentales. Nous progresserons donc simultanément sur les deux axes numérique et expérimental.

1. 1ère année

1.1. Volet recherche
Etude de l’écoulement de streaming généré en eau filtrée et dégazée par une onde acoustique focalisée en espace libre :
i) Simulation numériques sous Fluent (pilotées par le LESTE) :
- Simulations 2D axisymétrique dans une configuration simple de champ cylindrique ;
- Simulations 2D axisymétrique dans la configuration expérimentale des transducteurs coupoles à sonde échographique intégrée opérant à 550kHz et 1MHz ;
- Caractériser de l’effet 3D ;
- Etude de l’effet de la variation de l’intensité acoustique et caractérisation des différents régimes de streaming ;
- Test de plusieurs fluides : l’eau (en tant que fluide newtonien), et le sang (comme liquide rhéofluidifiant).
ii) Validation expérimentale sur l’eau fortement dégazée (pilotées par le LabTAU) :
- Mise en place d’un banc expérimental ;
- Caractérisation des écoulements par vélocimétrie laser (plan laser sur le plan médian de l’onde focalisé, et différents plans transverses) avec particules traceurs petites (tout en vérifiant qu’elles soient peu sensibles à la pression de radiation).

1.2. volet formation
- Pour la partie tunisienne: Compréhension et maitrise d’outils expérimentaux d’étude des écoulements générés en milieu fluide par une onde ultrasonore focalisée.
- Côté français: L’étude proposée fait partie des sujets développés par l’équipe de contrôle de cavitation ultrasonore au sein du
Labtau sur la thématique porteuse de la thrombolyse par cavitation ultrasonore. Ce sujet fait intervenir plusieurs domaines très intéressants de la physique : écoulements, phénomènes de transport de quantité de mouvement et de masse, changement de phase (cavitation). Il s’agit donc d’un sujet très riche et très porteur.
- Ce projet sert de support à une formation par la recherche, dans le cadre de la thèse de Mlle Haj Slama Rafika entamée en
Octobre 2013 et convertie en janvier 2015 en thèse en cotutelle entre l’Ecole Nationale d’Ingénieur de Monastir et l’Université Lyon 1, portant sur l’écoulement généré par ultrasons (streaming) et son impact sur des particules libérées dans la circulation lors de thrombolyse ultrasonore.

1.3 Valorisation et transfert technologique
Le sujet proposé est directement lié à de très importantes applications qui sont de grand intérêt aussi bien coté tunisien que côté français :
- Aspect fondamentale : écoulements streaming, de bulles et de particules solides.
- Applications thérapeutiques : la maîtrise de la technique de la thrombolyse par cavitation ultrasonore

2. 2ème année

2.1. Volet recherche
i) Influence d’un obstacle dans le milieu fluide
Il s’agit d’introduire une cible plane infinie au voisinage du foyer pour étudier l’influence d’un obstacle dans le milieu fluide soumis à l’onde focalisée.
ii) Comportement de particules « solides » dans le milieu fluide
Dans cette partie, on s’intéressera à la dynamique des particules dans un milieu fluide soumis à une onde ultrasonore en caractérisant les trajectoire des particules solides et fluides (bouts détaché de caillots, dans l’application à la sonothrombolyse) pour remonter au comportement des particules naturellement présentes dans le sang (globules rouges et blancs) et l’impact du streaming acoustique sur la dynamique de ces particules.

2.2. Volet formation:
- Un deuxième étudiant sera engagé en 2016 en thèse en co-tutelle en cas d’accord pour ce projet.
2.3 Valorisation et transfert technologique
- Mise au point d’une expérience en relation directe avec la modélisation de la partie tunisienne. Une fois validées par les expériences dans l’eau et pour des configurations simples, les simulations numériques peuvent être étendues pour prédire les phénomènes qui peuvent intervenir dans les vaisseaux sanguins lors de la sonothrombolyse.

3. 3ème année

3.1. Volet recherche : Comportement de bulles dans le milieu fluide
Dans cette partie on s’intéressera à :
- Simuler numériquement (au LESTE) l’écoulement d’une particule de type bulle dans la configuration expérimentale et valider la simulation par les résultats expérimentaux ;
- Mesurer expérimentalement (au LabTAU) l’écoulement des bulles dans l’eau dans une configuration simple de champ libre ;
- Simuler numériquement (au LESTE) l’écoulement de la bulle dans une configuration de conduit.

3.2 Valorisation et transfert technologique
Les travaux prévus ont vocation à diffusion scientifique et doivent normalement donner lieu à publications et communications. Il s’agit d’un projet amont, pour lequel n’est pas attendu de valorisation industrielle directe, mais qui présentent un enjeu thérapeutique. Il peut ouvrir la voie à des développements technologiques.

Informations supplémentaires

INSERM

Partenaire français
Lyon
http://u556.lyon.inserm.fr/

Laboratoire(s) ou unité(s) de recherche
UMR 556


Responsable(s)
Jean-Christophe BERA - UMR 556 - Lyon - Tél :0472681930 - Email :u556@inserm.fr

Ecole Nationale d'Ingénieurs de Monastir

Partenaire tunisien
Monastir
http://www.enim.rnu.tn

Laboratoire(s) ou unité(s) de recherche
Laboratoire d'études des systèmes thermiques et energétiques (LESTE)


Responsable(s)
Maher BEN CHIEKH - LESTE - Monastir - Tél :0021698541321 - Email :maher.benchiekh@enim.rnu.tn

INSERM

Partenaire français
Lyon
http://u556.lyon.inserm.fr/

Laboratoire(s) ou unité(s) de recherche
UMR 556


Responsable(s)
Jean-Christophe BERA - UMR 556 - Lyon - Tél :0472681930 - Email :u556@inserm.fr