Ce chapitre décrit le développement de la technique SBOS (Speckle-based Background Oriented Schlieren) pour son application aux décharges électriques produites par une paire d'électrodes pin-pin, et les mesures de la distribution spatiale instantanée des propriétés du gaz dans le noyau de décharge dans différentes conditions.
La technique BOS est basée sur la dépendance de la masse volumique du gaz à l'indice de réfraction, comme donné par la relation Gladstone-Dale pour les gaz. Les points d'un motif de fond se déplacent lorsqu'il y a des gradients de masse volumique entre le fond et la caméra de l'observateur. Le déplacement des points du motif est observé si le phénomène produisant le gradient de masse volumique se trouve à une distance de défocalisation éloignée du plan focal. Le déplacement est calculé par une corrélation croisée multi-étape entre une image de référence du motif de fond et une image lors d'un phénomène impliquant des gradients de masse volumique. Dans la SBOS, l'utilisation d'un motif de fond moucheté généré par laser améliore la résolution, en particulier dans les applications avec tailles caractéristiques réduites, comme les décharges électriques.
La technique et le traitement d'images sont développés pour les décharges électriques : le patron système optique et le capteur de la caméra. Le montage est configuré pour obtenir un patron de fond moucheté avec la bonne taille moyenne des taches du motif. Ensuite deux images sont prises, une image de référence et l'image au délai de temps souhaité après le début de la décharge. par corrélation croisée, ce qui donne le champ de déplacement des points du motif. Le champ de déplacement est intégré, en résolvant une équation de Poisson, pour obtenir la masse volumique intégrée le long de la ligne de vue. Pour les champs axisymétriques, une rétroprojection filtrée permet d'obtenir le champ de masse volumique. Avec un comportement semi-idéal du gaz, le champ de température est obtenu directement à partir du champ de masse volumique, puis la distribution locale de l'enthalpie est évaluée. La taille du noyau chaud de la décharge, en particulier son rayon maximum et son volume, est estimée à partir du champ de température. Enfin, l'intégrale volumique de la distribution d'enthalpie donne le dépôt d'énergie, calculé
l'enthalpie totale par rapport aux conditions initiales.
La méthodologie est validée pour un cas de référence : un jet de CO2 de même taille et avec des gradients de masse volumique absolus identiques à ceux attendus dans les décharges électriques. Un ensemble de 100 tests est réalisé sur le jet, permettant d'obtenir les champs de déplacement et les distributions de masse volumique. Comme au centre du jet la masse volumique doit être celle du CO2, les résultats sont comparés à cette valeur. L'analyse de l'influence des différents paramètres et des incertitudes de mesure, ainsi qu'une moyenne temporelle des
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résultats, donnent une incertitude de 6,2% pour la distribution de la température et de la masse volumique. L'incertitude du dépôt d'énergie obtenu par SBOS (EBOS) était de l'ordre de ~12%. La technique SBOS est ensuite appliquée aux décharges électriques. Des essais en conditions atmosphériques (dans l'air à 1 bar) montrent que pour un écart inter-électrodes plus important, la température du noyau à la fin de la décharge est plus élevée, puisqu'elle atteignait 900 K pour un écart de 2 mm et 750 K pour un écart de 1 mm. Également la taille du noyau est plus grande pour. L'évolution du noyau de la décharge est également étudiée, avec une série d'essais dès 0,5 à 2,5 ms de délai (temps après le début de la décharge), pour un écart de 2 mm. La température du noyau de gaz chaud est plus élevée aux premiers instants de la décharge, avec une température maximale de 1200 K pour un délai de 0,5 ms. Ensuite le noyau se refroidit à mesure qu'il se dilate, avec 1000 K de température maximale à 2,5 ms, même quand la décharge se poursuivit à cet instant. Il se dilate plus rapidement aux premiers instants de la décharge que par la suite, car la diffusion régit la dilatation du noyau, bien qu'il y ait une grande influence du transport convectif induit par l'onde de choc initiale. BOS
augmente jusqu'à sa valeur maximale à la fin de la décharge. Les résultats de la SBOS pour l'évolution du dépôt d'énergie sont comparés avec des mesures simultanées par calorimétrie. Même si la SBOS surestime légèrement le dépôt d'énergie, les différences entre l'EBOS et l'Eth sont de l'ordre des incertitudes de mesure, de sorte que les deux techniques fournissent de bonnes estimations du dépôt d'énergie.
Les essais dans l'air sont complétés par un changement de la pression initiale, de 0,5 à 2,0 bar. La distance de défocalisation du dispositif est adaptée à chaque pression pour obtenir un déplacement adéquat. La température du noyau chaud augmente avec la pression : à la fin de la décharge, la température du noyau est d'environ 900 K pour 2 bar, alors qu'elle était inférieure à 600 K à 0,5 bar dans l'air. Le volume du noyau diminue toutefois pour les pressions plus élevées, ce qui s'explique par la masse volumique plus élevée : à 2,0 bar, le volume du noyau à la fin de la décharge est la moitié du volume du noyau à 0,5 bar.
Enfin, l'influence de la présence de carburant est étudiée. Les mélanges propane-azote, à des fractions molaires de 0,04 et 0,06 ; sont soumis à des essais pour des écartements de 1 mm et 2 mm et des pressions initiales de 0,5 à 2,0 bar. Les constantes de Gladstone et de Dale des différents mélanges sont d'abord obtenues. Les essais sont effectués dans 8 conditions différentes (2 distances d'écartement et 4 pressions initiales), pour les deux mélanges de gaz. Pour des pressions plus élevées, la température atteint des valeurs supérieures à celles des mêmes décharges dans l'air (1100 K à 2 bar), sans une influence appréciable des changements dans la concentration de propane. La répétabilité des décharges est plus faible à des pressions plus élevées en présence de propane, avec une proportion plus importante de distributions asymétriques des noyaux et de structures 3D, ce qui exclut ces tests pour le traitement SBOS. La taille du noyau diminue de façon linéaire avec la pression. La composition du gaz n'a pas d'effet significatif sur le volume du noyau, bien qu'on observe une grande variabilité du rayon maximal due à des différences de forme des noyaux.
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Le dépôt d'énergie est estimé pour les différents mélanges de propane, et avec les résultats dans l'air, ces résultats sont comparés aux résultats de mesures simultanées par calorimétrie. Les données SBOS et calorimétriques montrent la même tendance : le dépôt d'énergie est plus élevé pour les distances d'écartement plus longues et les pressions plus élevées, et il augmente en présence de carburant. D'un point de vue quantitatif, les deux techniques de mesure de l'énergie diffèrent en moyenne de 13 %, ce qui se situe dans la plage des incertitudes cumulées pour les deux méthodes.