Diagnostics optiques

Avant de décrire chacun des montages optiques utilisés, il faut rappeler que les régimes de combustion observés n’ont pas les mêmes temps caractéristiques de propagation au sein de la chambre. Ainsi la déflagration, premier régime de combustion observé, a un temps caractéristique de l’ordre de la milliseconde, alors que l’auto-inflammation a un temps caractéristique de l’ordre de la dizaine de microseconde, et la détonation de l’ordre de la microseconde. Il est donc impossible d’observer avec une seule et même caméra l’ensemble des régimes de combustion étudiés. Pour cette étude nous avons donc utilisé quatre caméras dont les propriétés distinctes sont présentées ci-dessous :

 Une caméra rapide couleur Phantom V310 dont le but était de capturer la dynamique de la déflagration et notamment l’inversion de la flamme en une flamme tulipe. Les essais réalisés avec cette caméra ont été faits en chimiluminescence directe (Figure 2-11-D) en utilisant un grand hublot couvrant les trois quarts supérieurs de la chambre mais ne permettant pas de travailler à haute pression (P0 max = 1 bar).

 Une caméra rapide Photron FastCam SA-Z utilisée pour enregistrer l’ensemble des régimes de combustion étudiés par strioscopie rapide (Figure 2-13). Cela a permis la vérification de la chronologie des phénomènes étudiés. Cependant les fronts les plus rapides (détonation) sont mal résolus à cause d’une fréquence d’acquisition trop faible (120 kHz) ne permettant d’observer qu’une ou deux images durant la propagation de la

C B

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détonation avec un temps de pose d’environ 200 ns. Des caméras ultra rapides sont donc nécessaires pour analyser ces phénomènes de manière détaillée.

 Une caméra ultra-rapide Shimadzu HPV 2 dont la fréquence d’acquisition peut monter jusqu’à 1 MHz et dont le temps d’ouverture de l’obturateur peut être réduit à 250 nanosecondes. L’utilisation de cette caméra, lors de visualisations par strioscopie, centrées sur le phénomène de transition vers la détonation nous a permis d’avoir accès aux informations de vitesse des fronts d’auto-inflammation et de détonation. Cette caméra n’offre cependant la possibilité d’enregistrer que 100 images par acquisition, il est donc impossible de suivre l’ensemble des phénomènes de combustion sur la durée totale d’un essai.

 Une caméra ultra-rapide Shimadzu HPVX 2, permettant des enregistrements à une fréquence de 1 MHz à 10 MHz. Le temps de pose de la caméra peut descendre jusqu’à 150 ns. Cette caméra permet d’avoir une excellente résolution des phénomènes ultra rapides observés.

Dans un premier temps, le montage de strioscopie sera présenté. Puis, dans une deuxième partie, le montage optique permettant l’observation simultanée en visualisation directe et en strioscopie des fronts réactifs sera décrit.

2.2.1 Strioscopie

Le diagnostic optique majoritairement utilisé pour cette étude est la strioscopie rapide. Cette technique de visualisation met en évidence la variation de l’indice optique dans un milieu. Celle-ci est liée à la variation de densité du milieu transparent par la relation de Gladstone-Dale pour les gaz [136]. Cette relation relie l’indice de réfraction d’un gaz N à sa masse volumique 𝜌 sous la forme d’une relation de proportionnalité (2-2).

𝑁 1

𝜌 ^{𝐾 2-2}

Avec 𝛫 la constante de Gladstone-Dale, dépendant de l’ensemble des milieux traversés.

Le principe de la strioscopie repose sur le fait que les rayons lumineux parallèles envoyés à travers le milieu vont être plus ou moins déviés par les gradients de densité dans les gaz traversés. Par conséquent en faisant converger les faisceaux à l’aide d’une lentille convergente et en plaçant un cache opaque appelé filtre de Fourier au point théorique de convergence on « coupe » les faisceaux qui n’ont pas été déviés lors de la traversée du milieu (Figure 2-14). Il ne reste ainsi plus qu’à collecter l’information lumineuse restante pour obtenir une visualisation de la variation de la densité du milieu étudié. La luminosité de l’image obtenue est associée à l’ordre 1 au gradient d’indice dans le milieu, lui-même associé au gradient de densité dans les gaz. Ce gradient de densité varie donc en fonction de la température, de la pression et de la composition chimique du mélange gazeux observé. L’image collectée représente la variation de densité sur toute la profondeur de champ considérée. En effet, la strioscopie est une technique de visualisation intégrée sur toute la profondeur de la chambre à la différence d’autres techniques (PLIF et PIV par exemple) ne concentrant l’information que sur la faible épaisseur d’une nappe laser. Cette

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technique est très utilisée en combustion puisqu’elle permet d’avoir accès aux contours de flamme mais également à des phénomènes engendrant de faibles variations de densité tels que l’oxydation partielle des gaz frais due à la flamme froide. Cette technique est également très utilisée en milieu compressible pour l’observation d’ondes de choc. Elle est donc bien adaptée à la visualisation de front de détonation couplant onde de choc et front réactif.

Figure 2-14 Schéma explicatif d’un montage de strioscopie

Pour nos expériences, une LED collimatée télécentrique Opto Engineering LTCLHP 080-G, d’une puissance de 1W et centrée sur la longueur d’onde du vert (520 nm), est utilisée comme source lumineuse continue. Celle-ci renvoie directement des faisceaux lumineux parallèles, facilitant la mise en place du montage de strioscopie. Cependant, son foyer lumineux n’est pas ponctuel mais s’étend sur une surface non négligeable. Ainsi, la convergence des signaux par la lentille (C1) ne se fait pas en un point unique et la coupure des signaux laisse passer également une partie de la lumière qui n’aura pas été déviée. Cette solution technologique présente donc un compromis entre un système facile à mettre en place et non dangereux (intensité lumineuse faible par rapport à l’utilisation d’un système de laser) et une visualisation moins sensible aux gradients d’indice très faible puisque polluée par l’intensité lumineuse d’une partie des rayons lumineux non déviés. Ainsi pour la majorité des essais, cette solution technologique a été utilisée (Figure 2-15). Pour l’analyse des effets de compressibilité sur les transitions de régime différents couteaux seront utilisés pour accentuer la visualisation d’onde de pression dans une direction particulière.

Nous avons utilisé pour la partie collection les éléments optiques suivants :

 Une lentille plan convergente C1 (f = 1 m et D = 15 cm) en sortie de la chambre pour focaliser l’ensemble des faisceaux lumineux parallèles dans le plan focal de la lentille. En choisissant un diamètre élevé pour la lentille, on réduit l’ensemble des aberrations chromatiques pouvant apparaître proche des bords de la lentille. En choisissant une focale importante, les faisceaux lumineux les moins déviés sortiront également de l’ensemble des faisceaux non déviés. De la sorte on pourra observer des phénomènes générant de plus faibles variations de densité.

 Une lame de cutter est utilisée comme couteau optique. Elle est positionnée dans le plan focal de la lentille et permet de supprimer l’ensemble des faisceaux lumineux n’ayant pas été déviés par le milieu traversé. La position de cette lame de cutter (verticale, horizontale etc…) dans le plan focal de la lentille, privilégie la sensibilité dans la direction perpendiculaire à la lame. Ainsi, une lame coupant horizontalement le faisceau favorisera

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la visualisation de gradient d’indice verticaux puisque seuls les rayons déviés verticalement pourront atteindre l’écran.

Pour certains essais un diaphragme circulaire est utilisé en lieu et place du couteau optique. De cette manière une image négative du phénomène précédant est obtenue puisque seuls sont observés les rayons lumineux n’ayant été que très faiblement déviés. De plus, dans ce cas aucune direction de gradient n’est favorisée, permettant de visualiser avec plus de finesse un front sphérique de détonation par exemple.

 Une lentille plan convergente C2 dont la focale dépend du grandissement désiré sur le capteur de la caméra. Le grandissement sur l’écran est égal au rapport des focales des lentilles C1 et C2 (équation 2-3). La lentille C2 est positionnée pour que le « couteau » soit situé dans le plan focal objet de la lentille. Les rayons lumineux sortants de C2 seront donc parallèles. L’image peut donc être reconstituée sur le capteur et permettre l’observation sur un écran des rayons lumineux déviés par le milieu.

𝐺 𝑓 /𝑓 2-3

 Le capteur de la caméra (Photron SAZ ou Shimatzu HPV2 décrites précédemment) utilisé comme écran. Comme cela a été exposé précédemment, le grandissement voulu sur le capteur est déterminé en fonction de la caméra utilisée et de la fréquence d’acquisition souhaitée. Par exemple pour les visualisations réalisées avec la caméra Photron SA-Z, le nombre de pixels utilisés est réduit de 1024 x 1024 à 320 x 384 pour monter en cadence jusqu’à 120 kHz. Dans ce cas il faut donc réduire le grandissement G et donc la focale f2 de la lentille C2.

L’enregistrement par la caméra est déclenché soit par le signal de déclenchement du système d’allumage, soit par un seuil de pression dans la chambre de combustion. Ce dernier cas permet de contrôler assez finement le déclenchement de la caméra dans le cas de l’observation du front de détonation avec la caméra ultra-rapide.

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Figure 2-15 Représentation du montage expérimental de strioscopie avec LED collimatée (A) schéma 2D, (B) Représentation 3D

2.2.2 Visualisation directe et strioscopie simultanées

La strioscopie mise en œuvre apporte une information qualitative sur la variation des gradients de densité, mais l’information liée à l’intensité de l’émission naturelle des fronts réactifs n’est pas prise en compte. Ainsi, pour distinguer la propagation apparente d’un front de flamme froide et la propagation beaucoup plus lumineuse d’un front de flamme se propageant hypothétiquement contre les parois de la chambre, il est intéressant d’obtenir en simultané une information sur l’intensité de la chimiluminescence et la variation de densité intégrée dans le gaz.

Pour ce faire, une lame plane semi-réfléchissante placée avec un angle de 45° entre la LED et la chambre est utilisée. Les rayons lumineux parallèles provenant de la LED ne vont pas être déviés et l’image de la flamme issue de la chambre de combustion va en revanche se réfléchir sur la lame semi-réfléchissante et va donc ainsi être renvoyée vers la seconde caméra (Figure 2-16).

La complexité de ces mesures réside en deux points :

 L’apparition d’une tache lumineuse issue de la LED sur la lame semi-réfléchissante, qui rayonne sur l’ensemble du capteur de la seconde caméra, empêchant de fait la visualisation d’une partie de la chambre. Ce problème a été atténué en fermant au maximum l’obturateur de la caméra, réduisant ainsi la surface de la zone de rayonnement dans la chambre

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 L’obligation de légèrement incliner la caméra pour éviter que la réflexion du signal de strioscopie sur le capteur CCD de la première caméra soit transmis en sens inverse sur le capteur de la seconde caméra.

Deux caméras SA-Z seront utilisées pour ce montage optique et synchronisées avec le signal de déclenchement de l’allumage.

Figure 2-16 Schéma du montage expérimental couplé aux systèmes optiques de strioscopie et de visualisation directe simultanées

2.3 Caractérisation du montage expérimental