Mardi 30 Novembre 1999

Responsable scientifique : Jean-Michel Most - Laboratoire de Combustion et de Détonique - e-mail : Cette adresse e-mail est protégée contre les robots spammeurs. Vous devez activer le JavaScript pour la visualiser.

 

L'A.F.V.L. a organisé sa 6^e journée thématique sur les méthodes de mesure conduisant à la caractérisation de la vitesse, de la température et de la concentration d'écoulements réactifs. Le programme des exposés a porté sur les dernières avancées des méthodes de diagnostic laser. L'introduction générale a rappelé l'ensemble des techniques actuellement en développement ou déjà opérationnelles. Leur principe, domaines d'application, et leurs limites ont été commentés ; les exposés qui ont suivi ont porté plus particulièrement sur les méthodes utilisées et maîtrisées dans nos laboratoires de recherche.

L'objectif de la réunion a été atteint. Le point sur les avancées dans le domaine a été fait. Des avis ont été émis quant à la possible détermination, au moyen de telles méthodes de diagnostic laser, à la caractérisation, en mécanique des fluides, de la vitesse d'écoulements sans la présence de particules, mais uniquement à partir de traceurs moléculaires. L'auditoire était composé de 48 personnes universitaires ou de l'industrie.

 

PROGRAMME DE LA JOURNÉE

• Introduction de la journée sur les Nouvelles Avancées dans les Diagnostics Lasers
  Carlos Rolon, Ecole Centrale Paris - Cette adresse e-mail est protégée contre les robots spammeurs. Vous devez activer le JavaScript pour la visualiser.
• Couplage Aérodynamique-flammelette : la spectroscopie d’émission spontanée couplée à la PIV
  Arnaud Susset, LCD-ENSMA-Poitiers - Cette adresse e-mail est protégée contre les robots spammeurs. Vous devez activer le JavaScript pour la visualiser.  
• Mesure rapide et permanente de la vitesse des écoulements gazeux par la méthode de diffusion exacerbée
  Dominique Grésillon et André Kharchenko ,Laboratoire de Physique des Milieux Ionisés, Ecole polytechnique, Palaiseau, Cette adresse e-mail est protégée contre les robots spammeurs. Vous devez activer le JavaScript pour la visualiser.    
• Mesures de Température et de Concentration de traceurs dans les écoulements réactifs
  Brigitte Tretout – ONERA Palaiseau , Cette adresse e-mail est protégée contre les robots spammeurs. Vous devez activer le JavaScript pour la visualiser.  
• Réseaux dynamiques en optique non linéaire : application à la mesure de température et de vitesse
  Isabelle Ribet – ONERA Palaiseau, Cette adresse e-mail est protégée contre les robots spammeurs. Vous devez activer le JavaScript pour la visualiser.  
• Méthode de l’Arc en ciel : Principes et développements récents
  Jeroen Van Beeck – Institut Von karman, Rhodes Ste Genèse, Cette adresse e-mail est protégée contre les robots spammeurs. Vous devez activer le JavaScript pour la visualiser.
• Applications de la diffusion Rayleigh en milieu réactif
  Christine Mounaïm-Rouselle, Laboratoire de Mécanique et Energétique, Université d'Orléans
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• Application de la LIF
  Béatrice Deschamps, Institut Français du pétrole, Rueil Malmaison,
• Les méthodes LIF à hautes pressions : la FARLIF. Application aux moteurs à combustion interne
  Lionel Robin – CERTAM, Rouen, Cette adresse e-mail est protégée contre les robots spammeurs. Vous devez activer le JavaScript pour la visualiser.

 

Résumé des présentations

Nouvelles Avancées en Diagnostic Optiques et Laser pour la Combustion

Juan Carlos Rolon

 

Les diagnostics optiques, en particulier laser, et les méthodes de traitement numérique des signaux et des images ont fait l'objet de développements récents en vue d'applications aux études expérimentales en thermophysique et combustion. Ces diagnostics permettent des analyses fines et quantitatives dans les domaines des écoulements anisothermes, des milieux hors d'équilibre et des écoulements réactifs. Les diagnostics laser sont aujourd’hui couramment utilisés pour la mesure de température, de vitesse et de taille de particules, de concentration d'espèces réactives et pour la visualisation et la tomographie des écoulements.

 

Mesure de température :

• Diffusion Rayleigh.
• Diffusion Raman Anti-Stock Cohérente (DRASC)
• Mesure de vitesse et de taille de particules :
• Vélocimétrie laser à une et deux composantes (LDV)
• Vélocimétrie laser de phase (PDA)
• Vélocimétrie par analyse numérique de l'imagerie par diffusion de Mie de particules (PIV).
• Mesure de concentrations d'espèces réactives :
• Mesure locale de concentrations des radicaux OH, CH, C2 et NO par fluorescence induite par laser (LIF).
• Mesure de concentration d’espèces minoritaires par diffusion dite à quatre ondes (DFWM).

Techniques de visualisation :

• Tomographie résolue dans le temps de diffusion élastique de la lumière par plan laser.
• Imagerie d'émission de radicaux OH, CH et C2 par caméra CCD intensifiée pour la caractérisation de la structure de flammes, des instabilités de combustion et le contrôle actif.
• Fluorescence induite plane par laser des radicaux OH, CH et NO pour la caractérisation des zones de réaction et le dégagement de chaleur en combustion laminaire et turbulente. Visualisation des PAH dans des flammes de diffusion sous pression.

 

Bibliographie :

Eckbreth, A.C. (1996) "Laser Diagnostics for combustion temperature and species". Second Edition. Combustion science and technology book series, Volume 3. Gordon and Breach Publishers.

Wolfrum, J. (1998) "Lasers in combustion : From basic theory to practical devices". Twenty-Seventh Symposium (International) on Combustion/ The Combustion Institute , pp.1-41.

 

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Couplage Aérodynamique-Flammelette: la spectroscopie d'émission spontanée couplée à la PIV

Arnaud Susset - LCD-ENSMA - Poitiers   Cette adresse e-mail est protégée contre les robots spammeurs. Vous devez activer le JavaScript pour la visualiser.

 

La Spectroscopie d’Emission Spontanée (SES) est un diagnostic optique qui permet d’accéder simplement et rapidement à la répartition spatiale instantanée du front de flamme. Le signal d’émission spontanée des radicaux OH, CH et C2 est intégré suivant l’axe optique. Le développement d’outils adaptés tels que l’inversion d’Abel et le calcul de l’avancement moyen de la réaction permet d’obtenir une information quantitative sur la morphologie des zones réactives. Les applications de la SES concerne aussi bien l’étude de la réduction des polluants, la stabilisation de flammes ou l’interaction entre la flamme et l’aérodynamique. La SES est un diagnostic simple qui offre de nouvelles perspectives dans l’utilisation de technique couplée à la PIV.

 

Bibliographie:

Susset A., Mokaddem K., Kendrick D., Rolon J-C., Jaffré D., Honoré D., Perrin M., Gray C., Richon J-B. " Convenient laser diagnostics for aerodynamic and chemical study of axisymetric non premixed Bluff-Body burner flames " 8th International Symposium on Application of Laser Techniques to Fluid Mechanics, Lisbon, Springer-Verglag Editor, Berlin, 1997.

Poireault B., Susset A., Most J-M., Quinqueneau A., Honore D., " Influence of confinement and operating conditionson Nox emissions of a model 40kW swirl burner " Joint Meeting of the British, german and french sections of the Combustion institute, Nancy, 18-21 mai 1999.

Susset A., Poireault B., Most J-M., Rolon J-C., Scouflaire P., Honore D., Perrin M., " Localisation de la zone réactive dans un brûleur de type swirl par visualisation de l’émission spontanée de la flamme " 8ème Colloque national de visualisation et de traitement d’images en mécanique des fluides Toulouse, 1-4 juin 1999.

Susset A., Trinité M., Honoré D., Jaffre D., Perrin M., " Experimental investigation of spatio-temporal correlations between aerodynamic and flame front location in an axisymetric non-premixed bluff-body burner flame " Proc. 9th International Symposium on Application of Laser Techniques to Fluid Mechanics Lisbonne, 13-16 juillet 1998.

 

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Mesure rapide et permanente de la vitesse des écoulements gazeux par la méthode de diffusion exacerbée

Andriy V. Kharchenko, Dominique Grésillon -

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Laboratoire de Physique des Milieux Ionisés -Ecole Polytechnique, 91128 Palaiseau Cedex, France

Bogolyubov Institute for Theoretical Physics 03143 Kyiv, Ukraine

 

La diffusion Rayleigh de la lumière par un gaz peut être "exacerbée", c'est à dire que son intensité peut être multipliée par plusieurs ordres de grandeurs, lorsque la densité du gaz n'est pas uniforme (par exemple lorsqu'il est turbulent) et que l'observation de la lumière diffusée se fait dans une direction proche de la direction incidente. L'amplitude du champ diffusé est proportionnelle à une transformée de Fourier spatiale de la densité du gaz. Le facteur d'amplification est le "facteur de forme", qui dépend du vecteur d'onde k de la transformation de Fourier et qui caractérise la non-uniformité du gaz à l'échelle de k. Par ailleurs, le mouvement du gaz se traduit par un effet Doppler w = k.v, de telle sorte que le spectre fréquentiel de la lumière diffusée traduit la forme de la distribution de probabilité de la vitesse. Nous démontrons en outre qu'on peut obtenir une mesure instantanée de la vitesse, par une procédure qui utilise certaines propriétés de l'amplitude complexe du signal, et notamment son analycité mathématique. Toutes ces propriétés sont illustrées de résultats expérimentaux.

 

Bibliographie :

D.Grésillon, & C.Honoré. "Collective light scattering: An introduction", in: Optical Diagnostics for flow processes (ed. L.Lading, G.Wigley, & P.Buchhave), Plenum Press, New York, 1994, 229.

J.-P.Bonnet, D.Grésillon, B.Cabrit, &V.Frolov. "Collective light scattering as non-particle laser velocimetry". Meas. Sci. Technol. 6, (1995) 620.

C. Honoré, J.P. Bonnet, D. Grésillon & T. Ouzaa. "Collective light scattering and instanteous fluid velocity measurement". Journal of Atmospheric and Terrestrial Physics 58, (1996) 1025.

4. A.V.Kharchenko, D.Grésillon, C.Honoré. "Enchanced collective light scattering signal. Application to instant and continuous flow velocity measurement", in: Booklet of proceedings of EUROMECH Colloquium 403, "Turbulence in High Speed Compressible Flows", 2-4 November 1999, Futuroscope, France

 

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Mesures de Température et de Concentration de traces dans les écoulements réactifs

Brigitte Trétout, ONERA, Palaiseau, Cette adresse e-mail est protégée contre les robots spammeurs. Vous devez activer le JavaScript pour la visualiser.

Différentes techniques de diagnostic optiques ont été développées à l'Onera parmi lesquelles la DRASC, la DFWM, la LIF et les diffusions Raman et Rayleigh. La température et les concentrations d'espèces minoritaires ont été mesurées dans différentes milieux tels que des combustions cryogénique, supersonique ou instationnaire. Les mesures sont instantanées et le plus souvent synchronisées par rapport à des événements temporels particuliers. Les informations sont ponctuelles ou en plan selon la technique utilisée. La carte de concentration du radical OH obtenue dans la combustion supersonique du foyer PREPHA est présentée sur la figure ci dessous à titre d'exemple pour une injection d'hydrogène axiale ou pariétale.

 

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Réseaux dynamiques en optique non linéaire : application à la mesure de vitesse et de température.

Isabelle Ribet, Michel Lefebvre.

ONERA/LAERTE, Chemin de la Hunière, 91761 Palaiseau.

 

Les techniques d'optique non linéaire de mélange à quatre ondes ont été largement développées pour réaliser des mesures locales et instantanées de température et de concentration des écoulements gazeux [1]. Des travaux récents menés à l'ONERA ont montré que ces techniques permettent aussi d'obtenir la vitesse du jet sans nécessiter d'ensemencement. Cette mesure de vitesse s'appuie sur l'analyse temporelle du signal produit par diffraction d'un faisceau sonde sur un réseau de franges dynamique. Pour les écoulements supersoniques à basse pression (<10 mbar), on s'intéresse aux réseaux de cohérence Raman [2]. Par contre, à pression atmosphérique, les réseaux électrostrictifs sont mieux adaptés car ils persistent plus longtemps.
En particulier, une expérience originale a montré que l'on pouvait réaliser des mesures simultanées de la température et de la vitesse dans un écoulement d'air subsonique à pression atmosphérique [3].

 

Bibliographie :
[1] Alan C. Eckbreth, "Laser diagnostics for combustion temperature and species", Gordon and Breach Publishers.
[2] M. Lefebvre, B. Scherrer, P. Bouchardy, and T. Pot, J. Opt. Soc. Am. B 13, 514 (1996).
[3] "Simultaneous velocity and temperature measurements in a subsonic air flow", I. Ribet, M. Lefebvre, en cours...

 

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Application de la technique de diffusion Rayleigh en milieu réactif

Christine Mounaïm-Rousselle
Laboratoire de Mécanique et d'Energétique
Université d'Orléans

 

Le but de cette présentation était de passer en revue toutes les applications possibles de la diffusion Rayleigh en combustion. Nous nous sommes uniquement intéressés au cas de la diffusion par des molécules.

 

Quelques rappels théoriques de base :

• l'intensité de la diffusion Rayleigh est fonction de la concentration des molécules par sa section efficace, de la température, de l'angle solide de détection et de l'intensité laser incidente.
• Il est important de retenir que cette intensité est proportionnelle à l'inverse de la longueur d'onde à la puissance 4 et que lorsque l'on recueille cette intensité à 90° par rapport au faisceau initial, elle sera nulle si la polarisation est horizontale.
• Due à sa faible section efficace (10-27 par rapport à 10-15 pour la diffusion de Mie), l'intensité Rayleigh est très faible et nécessite un environnement très propre (sans particule) et le minimum possible de réflexions.

 

Les différentes applications classiques :

• Lorsque l'on est dans le cas où la section efficace est constante, comme par exemple pour un jet chaud, ou des milieux en combustion où la section efficace des gaz frais est identique à celle des gaz brûlés (dans le cas des hydrocarbures la variation est inférieure à 10%), la diffusion Rayleigh permet de faire de la thermométrie non intrusive (Dibble et al. 1981) ; et d'étudier dans le cas des flammes turbulentes prémélangées, les fréquences de passage de flamme et des distributions statistiques basées sur des modèles (C. Mounaïm-Rousselle et al. 1992)
• Lorsque l'on est dans le cas où la température est constante ou connue, on peut alors mesurer la concentration d'espèces comme l'a fait Kadota et al.(1990) dans une chambre de combustion moteur.
• Lorsque l'on se trouve dans un milieu où et la section efficace et la température varie, les mesures sont difficilement quantifiables, il est nécessaire de réaliser simultanément d'autres mesures.

Ces techniques ont été réalisées en focalisant le faisceau incident et en récoltant le signale via un PM mais d'autres applications sont basées sur l'imagerie Rayleigh (Tsue et al. 1992).

 

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Du nouveau dans la diffusion Rayleigh

Christine Mounaïm-Rouselle, Laboratoire de Mécanique et Energétique, Université d'Orléans, Cette adresse e-mail est protégée contre les robots spammeurs. Vous devez activer le JavaScript pour la visualiser. 

 

Actuellement à partir de ce phénomène, on essaye de déterminer la vitesse des gaz. Deux développements principaux existent :

• Filtered Rayleigh Scattering : basée sur le fait que le mouvement des molécules décale d'une fréquence la lumière diffusée (effet Doppler). Afin d'avoir des fréquences détectables, les applications ont eu lieu uniquement en supersonique (Elliot et al., 1996, Clancy et al., 1997)
• Molecular Imaging Velocimetry (ou Rayleigh Imaging Velocimetry ) où le principe est tout à fait similaire à la PIV mais basée sur le diffusion moléculaire. Intérêt obtenir simultanément des champs de température et de vitesse. (Komiyama et al., 1996)

Conclusion
Grâce aux développements de nouvelles caméras CCD intensifiées et des lasers à plus hautes énergie et cadence, les applications de la diffusion Rayleigh semblent vouées à un bel avenir. Toutefois, il ne faut pas oublier que de nombreuses précautions (telles que environnement propre, sans réflexion ...) sont nécessaires et limitent parfois l'utilisation de cette technique.

Bibliographie :

R. Dibble and R. Hollenbach, 1981 " Laser Rayleigh thermometry in turbulent flames ", 18ième Symposium on Combustion, pp 1489
C. Mounaïm-Rousselle, B. Deschamps, C. Chauveau, A. Boukhalfa and I. Gökalp, 1992 " A New Method for the Experimental Estimation of the Mean Reaction Rate in Turbulent Premixed Flames ", Congrès commun des Sections Française, Italienne et Suédoise du Combustion Institute, (Capri)
T. Kadota, FQ Zhao, K. Miyoshi, 1990 "Rayleigh scattering measurements of transient fuel vapor concentration in a motored spark ignition engine ", SAE 900481
M. Tsue, K. Inoue, T. Nakamae, Hattori, T. Kadota, 1992, " Planar Rayleigh scattering method for the visualization of concentration field in a gaseous jet ", Proceeding of 2nd JSME-KSME, Thermal Engineering conference, pp2-453
G. Elliott and M. Saminy, Nov. 1996, " Raysleigh scattering technique for simultaneous measurements of velocity and thermodynamic properties ", AIAA Journal vol 34, n°11, pp 2346.
P. Clancy and M. Saminy, Nov. 1997, " Two-component Planar Doppler Velocimetry in High speed flows ", AIAA Journal, vol 35, n°11, pp1729
M. Komiyama, A. Miyafuji, T. Takagi, 1996 " Flamelet behavior in a turbulent diffusion flame measured by Rayleigh scattering image velocimetry ", 26ième symposium on combustion, pp339

 

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Les méthodes LIF à haute pression: la FARLIF. Application aux moteurs à combustion interne

Lionel Robin, Cette adresse e-mail est protégée contre les robots spammeurs. Vous devez activer le JavaScript pour la visualiser. ; http://www.coria.fr
CERTAM, 1 rue Joseph Fourier ; F-76800 Saint Etienne de Rouvray,
Téléphone :02 32 95 40 03, Fax : 02 32 95 40 09

 

En régime linéaire de fluorescence (fluorescence linéairement proportionnelle à la densité d'énergie laser), l'intensité de fluorescence induite par laser reste fortement dépendante des processus de désexcitations collisionnels ou quenching, liés aux effets de pression, température et partenaires de collision. Dans des milieux à haute pression tels que ceux rencontrés dans les moteurs à combustion interne, cette dépendance qui apparaît d'autant plus marquée que la pression est élevée, est mise à profit pour réaliser des mesures quantitatives de richesse pendant la phase de compression précédant l'allumage. Pour des pressions d'étude supérieures à 3 bars, la molécule d'oxygène - qui reste une espèce majoritaire dans les moteurs à combustion interne - est répertoriée comme étant le quencheur majoritaire du mélange air/carburant avec une dépendance directement proportionnelle à la concentration en O2.
La richesse définie comme le rapport des concentrations carburant/air est mesurée par fluorescence induite par laser à excimère KrF à 248 nm, d'ou le nom de FARLIF: Fuel Air Ratio Laser Induced Fluorescence. Le carburant est de l'iso-octane dopé au toluène 5%. Le dopant est utilisé comme le traceur de carburant, et est choisi en fonction de ses caractéristiques physico-chimiques proches de celles du carburant. Les mesures 2D quantitatives sont réalisées sur monocylindre transparent au voisinage des électrodes de la bougie, dans un plan parallèle au plan de joint de culasse.
L'intensité de fluorescence est donnée par l'expression: . Partant des hypothèses de la validation de FARLIF[1][2] basées sur l'étude en régime de fluorescence linéaire d'un milieu à pression élevée, avec une dé-excitation de fluorescence régit par un taux de quenching élevé bien supérieur au taux de deexcitation radiative (Q>>A) et piloté par la concentration en oxygène et (Q=Q[O2], à température constante O2 quencheur majoritaire du mélange carburé étudié), l'intensité de fluorescence peut être réécrite sous la forme simplifiée: , exprimée ainsi directement en fonction de la richesse.
La traçabilité ou répartition de carburant est obtenue en faisant fluorescer le traceur au moyen d'une radiation laser accordée sur ses transitions absorbantes. L'intensité de fluorescence étant pondérée par le quencheur majoritaire du mélange, en l'occurrence l'oxygène, la répartition de carburant est de ce fait directement pondérée localement par la pression partielle en oxygène présente dans le mélange carburé et par conséquent directement proportionnelle à la répartition de richesse.

 

Bibliographie :
[1] J. Reboux, D. Puechberty, F. Dionnet, "A new approach of planar laser induced fluorescence applied to Fuel/Air
ratio measurement in a compression stroke of an optical S.I. engine", SAE paper 941988, 1994.
[2] J. Reboux, D. Puechberty, F. Dionnet, "Study of mixture inhomogeneities and combustion development in a S.I.
engine using a new approach of laser induced fluorescence (FARLIF)", SAE paper 961205, 1996.
[3] Todd D. Fansler, Donald T. French, Michael C. Drake, "Fuel distributions in a firing direct-injection spark-ignition engine using laser induced fluorescence imaging", SAE paper 950110, 1995.
[4] H. Zhao, N. Ladommatos, " Optical diagnostics for in-cylinder mixture formation measurements in IC engines", Progress Energy Combustion Science, vol.24, pp.321-322.