Hydrodynamic Cavitation through “Labs on a Chip”: From Fundamentals to Applications
Cavitation hydrodynamique “sur puce” : Aspects fondamentaux et appliqués
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LEGI, Université Grenoble Alpes, CS 40700, 38058
Grenoble Cedex 9 – France
2
ILM, Université C. Bernard Lyon 1, 69622
Villeurbanne Cedex – France
e-mail: frederic.ayela@legi.cnrs.fr
* Corresponding author
Received:
30
September
2016
Accepted:
12
April
2017
Monitoring hydrodynamic cavitation of liquids through “labs on a chip” (i.e. microchannels with a shrinkage, such as microdiaphragms or microventuris) is an improvement in experimental approaches devoted to study the mechanisms involved in these multiphase flows. The small sizes of the reactors do not require big substructures. Flow rates of around 1 L/h make possible the characterisation of rare, toxic or expensive pure fluids or mixtures. Moreover, because of that microfluidic approach, an unique inception of the cavitation from a laminar flow regime is also possible, that provides precious databases for simulation or modelisation. Lastly, “labs on a chip” are an extremely versatile solution to perform novel experiments, as they are embeddable in tools basically designed to proceed with small samples (confocal microscopy, spectroscopy). We present here a summary of the former experiments performed by our team, concerning the fundamental aspects of hydrodynamic cavitation in a microchannel. We have recorded, with thermosensitive nanoparticles dispersed in water, the thermal signature of the growth and collapse of bubbles. We were also able to monitor the cavitation flow regime from a laminar single liquid phase. We are currently involved in applicative studies of hydrodynamic cavitation in microchannels, and preliminary results concerning liquid phase exfoliation of graphene will be also presented.
Résumé
L’émergence de la cavitation hydrodynamique ‘sur puce’ (cavitation dans des microcanaux comportant une réduction localisée de leur section de passage) est un atout pour l’étude des mécanismes impliqués dans ce type d’écoulements diphasiques. Les dimensions réduites des réacteurs s’affranchissent de l’utilisation d’infrastructures lourdes. Des débits de l’ordre du litre par heure rendent possible l’étude de fluides rares, toxiques ou coûteux, ainsi que l’étude de mélanges. De plus, cette approche microfluidique est la seule qui permet sous certaines conditions l’apparition de la cavitation à partir d’un régime d’écoulement laminaire, ce qui fournit des données expérimentales intéressantes pour la modélisation. Enfin, la dimension réduite des “laboratoires sur puce” leur permet de s’intégrer dans des schémas expérimentaux (microscopes confocaux, spectrométrie) inenvisageables à plus grande échelle. Nous présentons ici un récapitulatif de résultats récemment obtenus par notre équipe, concernant des aspects fondamentaux et appliqués au génie des procédés de la cavitation hydrodynamique sur puce. Nous avons pu détecter la signature thermique de l’évaporation et de la condensation de bulles, grâce à des nanoparticules thermofluorescentes dispersées dans l’écoulement. Nous avons également piloté la transition vers la cavitation à partir d’un écoulement laminaire. Nous présentons enfin les premiers résultats de nos travaux en cours, concernant l’exfoliation en phase liquide du graphène assistée par microcavitation.
© F. Ayela et al., published by IFP Energies nouvelles, 2017
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