Analyse et correction du signal de fluorescence

Les différentes conditions de mesure réalisées sont présentées sur les figures III-2 et III-3 (où les images instantanées de température et de fraction molaire sont situées sur le haut, tandis que les images moyennes (de 100 images) sont sur le bas). Le calcul de ces images moyennes est effectué dans l’hypothèse où l’écoulement est parfaitement contrôlé et que le fil chaud entraîne une stabilité de la flamme relativement satisfaisante. Ces images montrent clairement que le signal de fluorescence décroît fortement devant le front de flamme.

Pour chaque image instantanée de température, des profils normaux au front de flamme sont extraits (figure III.4). La décroissance du signal de fluorescence (et par conséquent celle de la mesure de fraction molaire d’acétone) est fonction de plusieurs facteurs, comme le montre la figure III.4, issue de calculs laminaires des mélanges Acétone/Méthane/Air avec une richesse de 1 (cf. Chapitre II partie II.2.4.3) :

• Tout d’abord, la conduction thermique, les flux de diffusion et le phénomène d’oxydation, qui se produisent dans la zone de préchauffage, entraînent la décomposition de l’acétone.

• Ensuite, l’élévation de la température induit une diminution de l’intensité du signal de fluorescence sur l’acétone.

Chapitre III : Flamme laminaire

Ce dernier facteur est quant à lui étranger aux phénomènes physiques de la combustion. Il est donc primordial de pouvoir s’abstraire de l’influence de la température, afin de mesurer, avec la plus faible erreur possible, la fraction molaire d’acétone.

F-III.2 - Images de température (gauche) et de fraction molaire (droite) dans la configuration d’une flamme en V stratifiée laminaire. En haut, se trouvent les images instantanées et en

bas les images moyennées (100 images)

C’est pourquoi nous avons effectué des mesures simultanées de température et de fraction molaire car elles présentent le double avantage d’avoir accès simultanément à la température et à la fraction molaire de méthane locale mais aussi de soustraire l’influence de la température sur les mesures du signal de fluorescence de l’acétone, particulièrement dans la zone de préchauffage (cf. Chapitre II).

En effet, la mesure simultanée de plusieurs grandeurs locales de la flamme non homogène en terme d’épaisseur, de vitesse, et d’étirement de flamme ou de dégagement de chaleur, n’a d’intérêt que si la fraction molaire de combustible locale (et par analogie la fraction

Effets des hétérogénéités de richesse sur la structure interne des flammes turbulentes

molaire ou la richesse) et les gradients de richesse sont mesurés correctement. Ainsi, depuis les images instantanées, différents profils de température et de fraction molaire de méthane sont extraits à différentes hauteurs.

F-III.3 - Images de température (gauche) et de fraction molaire (droite) dans la configuration d’une flamme en V homogène laminaire. En haut, se trouvent les images instantanées et en

bas les images moyennées (100 images)

Les différents profils sont alors corrigés selon la méthode itérative décrite dans le chapitre II.

1) La condition stratifiée présente un gradient de température significatif du côté des gaz brûlés du front de flamme. Effectivement, sur la figure III.5, la pente 1 représente la zone de réaction et la pente 2 les gaz-brûlés de la post-combustion.

Chapitre III : Flamme laminaire

Des résultats similaires avaient déjà été observés numériquement par [RA, 2001] et [PIRES DA CRUZ, 2000] pour respectivement, une flamme stratifiée sphérique en expansion et une flamme stratifiée mono dimensionnelle.

2) Cependant, les profils sont affectés par le filtrage des images tendant à diminuer la pente des gradients de température. Malgré cette erreur, il faut tout de même prendre en compte que celle-ci reste la même pour toutes les conditions de mesure. Ainsi, l’évolution de nos épaisseurs reste cohérente.

3) La figure III.5 nous propose les évolutions de la température et de la fraction molaire de méthane corrigée et non-corrigée, pour les deux configurations étudiées. Les profils de fraction molaire présentent un écart significatif dès la température T=320 K et ceci quel que soit le type de flamme. Cette différence est similaire entre les profils moyens et instantanés, et croît avec la température.

La décroissance de la fraction molaire de méthane à travers la zone de préchauffage peut être aussi observée. Dès que les flux locaux de température augmentent par conduction, convection et rayonnement et par des phénomènes d’oxydation, le signal de fluorescence peut être corrigé de manière non négligeable.

X (cm) Mol ar fr ac ti o n T( K ) 0 0.05 0.1 0.15 0.2 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 0 250 500 750 1000 1250 1500 1750 2000 2250 2500

F-III.4 - Profils de calcul de fraction molaire et de température pour une flamme prémélangée (95% méthane 5% acétone)/air à φ=1.0

Fraction mo la ire 5 CH

10 .χ

10 .χ

χ

χ

Effets des hétérogénéités de richesse sur la structure interne des flammes turbulentes

(1)

(2)

F-III.5 - Profils de température et de fraction molaire de méthane à travers le front de flamme. Ces profils sont pris à Z=4o mm pour une condition homogène (H2) en haut et stratifiée (S3)

en bas. Les symboles indiquent les profils instantanés et les lignes continues les profils moyennés. (1) zone de réaction, (2) zone gaz brûlés post-combustion.

Chapitre III : Flamme laminaire

En effet, la fonction f(λ,T) (cf. chapitre II) est extrêmement sensible aux variations de la température (comme on peut le voir dans les gaz frais), notamment au-dessus de 300 K où elle entraîne une augmentation notable du signal de fluorescence.

Nous avons appliqué cette correction pour une température locale inférieure à 500 K, valeur à partir de laquelle la correction est impossible, du fait du signal de fluorescence trop faible.

De plus, elle correspond à la température typique de l’évaporation des gouttes d’huile d’olive utilisées dans la tomographie laser.

Les bénéfices de cette correction peuvent s’exprimer en terme de différence relative et absolue pour la fraction molaire de méthane locale et son gradient. Ils sont évalués pour plusieurs isothermes le long du front de flamme (figure III.6).

F-III.6 - Evaluation de la correction des signaux de PLIF fonction de la température, à la fois sur la fraction molaire de méthane et son gradient. La ligne solide avec les carrés représente la

différence entre la fraction molaire de méthane corrigée et initiale, normalisée par la fraction molaire de méthane corrigée. Les symboles étoiles et les losanges représentent la différence relative entre le gradient de fraction molaire de méthane corrigé et celui initial. Les mesures

Effets des hétérogénéités de richesse sur la structure interne des flammes turbulentes

Il apparaît clairement que cette correction n’est pas négligeable et que sa contribution croît avec la température. A l’isotherme 500 K, la différence entre les fractions molaires de méthane est de plus de 50 % entre les signaux corrigés et non corrigés, et les gradients de fraction molaire de méthane peuvent être, selon les conditions, de signes opposés.

Cette évolution, observée pour les différentes conditions expérimentales, souligne l’importance de la correction lorsque la fraction molaire de méthane nécessite d’être mesurée précisément, en particulier dans la zone de préchauffage.