Atomisation, pulvérisation et aérosols - Instrumentation

Les processus de formation de gouttes et particules sont omniprésents dans l'industrie et dans la nature. Mais peu de phénomènes aussi courants ont reçu une appellation si erronée. En effet, bien que souvent on entende parler d'atomisation, on est loin de réduire à l'état d'atomes et les échelles obtenues usuellement restent largement supérieures aux échelles atomiques et moléculaires. Le terme pulvérisation est à peine plus correct car la réduction à l'état de poussière ne s'appliquerait qu'à la création de particules solides. Restent les termes plus vagues comme brumisation, création d'aérosols (particule en suspension), de sprays... En toute rigueur, il faudrait parler de phases (au sens physique relatif à un état de misère) dispersées (dans le sens où ses constituants n'occupent pas un volume connexe), liquides pour les gouttes, solides pour les particules.

Comme on l'a dit, elles sont partout : dans les chambres de combustion des voitures, des avions, des fusées, des chaudières, les traitements de surface (peintures, revêtements, nettoyage...), les traitements thermiques, les inhalateurs en médecine, la parfumerie, l'épandage agricole, les imprimantes et photocopieurs, la fabrication de composants électroniques, les extincteurs d'incendie, mais aussi dans le brouillard, la pluie, les nuages, les éruptions volcaniques, les geysers... De façon générale, l'étude de la formation de gouttes et particules est commune aux processus d'émulsion, de séparation de liquides, de vaporisation et condensation, qu'on veuille accélérer ces processus par la formation de gouttes ou au contraire les ralentir en évitant l'apparition de gouttes.

Cette atomisation, puisque c'est le terme usuel, peut s'obtenir par de nombreux procédés : interaction aérodynamique, mécanique, électrostatique, mais aussi par cavitation, ou même par ultrasons. Les domaines d'application et les moyens d'obtention sont si nombreux qu'il faut restreindre le cadre de l'article aux phénomènes dont le contrôle et les lois de comportement sont les plus difficiles à maîtriser et qui représentent aux yeux de l'ingénieur l'information la plus précieuse. Ainsi, deux cas seront traités uniquement par la suite : la création de gouttes à partir d'un liquide et la création de particules solides à partir d'un corps en fusion. Sont exclus donc en particulier les processus de concassage produisant des poudres solides à partir de corps solides.

Pourquoi atomiser ? En premier lieu, dans les applications des phases dispersées de liquides ou d'alliages en fusion, c'est la très grande surface d'échange offerte par les gouttes qui est utile pour obtenir des taux de réaction, de refroidissement, d'évaporation ou de solidification extrêmement élevés à un coût énergétique faible. Aussi, c'est la taille (et la morphologie) des gouttes créées qui est capitale. Cette taille peut varier de la centaine de nanomètres à quelques millimètres selon les applications. Un choix correct du type d'atomiseur et du processus d'atomisation mis en jeu permet d'obtenir pratiquement n'importe quelle taille moyenne, distribution de tailles et parfois forme souhaitées. Ensuite, lors d'interactions des phases dispersées avec des parois solides de nombreuses réalisations sont possibles, dont certaines destructrices comme l'impact de glace sur les rotors d'hélices ou d'ailes d'avions, de gouttes d'eau sur les aubes de turbine à vapeur, mais d'autres très utiles comme le refroidissement par aspersion ou l'application de peintures.

Enfin, l'atomisation de matières en fusion permet la fabrication de poudres et d'aérosols solides avec des taux de solidification importants résultant dans le captage de certaines formes allotropiques stables à haute température, mais aussi l'homogénéité dans le cas d'alliages, résultant dans des propriétés mécaniques meilleures pour les poudres obtenues par atomisation que par d'autres moyens conventionnels, à un prix souvent avantageux.

Les développements récents de la technologie des atomiseurs, des théories des mécanismes de formation de gouttes, mais aussi du calcul parallèle et des méthodes optiques non intrusives de mesure, ont profondément modifié la compréhension et la portée du processus d'atomisation.