Diagnostique optique : Méthode d’Extinction Laser (LEM)

Le diagnostique optique par méthode d’extinction laser (LEM) repose sur la mesure de l’atténuation d’un faisceau laser par un milieu absorbant, ici les particules de suie.

Il a été démontré que cette technique offre une bonne résolution en temps et en espace, ce qui permet un meilleur suivi de l’étape de formation des suies dans les flammes non-prémélangées [40,41,157,158].

Au cours de ce travail, le dispositif optique contribuant à la mesure de la fraction volumique bidimensionnelle des particules de suie susceptibles de se former dans les flammes non-prémélangées établies au niveau du brûleur du type Santoro est présenté sur la Figure 34.

1.3.1. Schéma optique :

Ce montage a été réalisé par M. Kashif durant ses travaux de thèse [161] et il se compose d’un faisceau laser continu (11) de puissance égale à 100 mW et ayant une longueur d’onde λ = 645 nm (-5/ +7 nm). Le choix de cette longueur d’onde a été établi en fonction de la sensibilité de détection des capteurs de la caméra et des propriétés dispersives (et d’absorption) des particules formées dans la flamme. Le faisceau original possède un diamètre de 1 mm environ et passe à travers un obturateur électronique (shutter) (12) permettant ainsi le réglage de la fréquence de la source qui peut aller jusqu’à 150 Hz. Une série d’expanseur de faisceaux est installée en aval permettant l’expansion du faisceau laser d’origine. Pour bien focaliser et homogénéiser en inténsité ce faisceau, une installation complexe formée par une association de lentilles achromatiques collimatantes et de miroirs (13,14) a été mise en place contribuant à l’obtention d’un faisceau collimaté de 70 mm de diamètre. Une fois que le faisceau laser a traversé la flamme, il sera directement décollimaté et réorienté à travers une lentille spécifique (16). Le faisceau collecté sera ensuite filtré par un filtre interférentiel centré sur la longueur d'onde laser puis l’image virtuelle résultante sera capturée par une caméra à balayage progressif de 12 bits (17). La matrice de pixels du capteur CMOS est composée de 1312 × 1082 pixels et fournit une résolution spatiale de 50 µm pour les données LEM projetées sur la zone de 70 mm de diamètre étudiée.

Dans ce travail, la fréquence d’acquisition est de 20 Hz avec un temps d’exposition de 43 ms. Un générateur d’impulsion numérique (Digital Pulse Generator) contrôle l’occurrence et le temps d’exposition du capteur CMOS en synchronisation avec l’ouverture de l’obturateur.

1.3.2. Quantification de la propension à la production de suie : calcul de la

fraction volumique f

des particules

Pour calculer la fraction volumique de suie en utilisant la technique 2D-LEM, il faut en premier lieu déterminer le coefficient d’extinction sur chaque pixel. A cette fin, une séquence de quatre images est requise :

1. Image avec flamme établie et avec laser allumé (WFWL) : intensité du faisceau laser atténué (I^l_λ)

2. Image avec flamme établie mais avec laser éteint (WFWOL) : intensité d’émission de la flamme augmentée de la radiation du fond (I_λ^f,b)

3. Image sans flamme mais avec laser allumé (WOFWL) : intensité non atténuée du faisceau laser (Iλ⁰)

4. Image sans flamme ni laser (WOFWOL) : intensité de la radiation du fond (Iλ^b)

Une expérience se fait alors en prenant tout d’abord 300 images de la flamme dopée avec les vapeurs des combustibles modèle de Diesel et de Biodiesel à tester (alternativement 150 images avec la lumière laser et 150 sans la lumière laser) sur une période d’environ 16 secondes. Ensuite, la même procédure d’acquisition est réalisée en l'absence de flamme cette fois. Les quatre types d’images obtenues sont en réalité la moyenne de 150 images chacune. De plus, une cinquième image appelée « mire » est également enregistrée permettant de définir les axes physiques x (r) et y (HAB) autour du brûleur où est établie la flamme non-prémélangée. Cette image est prise une seule fois au début de chaque expérience.

La Figure 35 représente un exemple d’une série d’images prises lors d’une expérience d’acquisition avec l’image « mire » nécessaire pour la construction de l’échelle.

Figure 35 : Séquence de quatre images requises pour calculer la fraction volumique de suie

avec l’image « Mire » pour la construction de l’échelle

Les matrices ainsi formées représentant l’intensité de la lumière à chaque pixel sont des valeurs de niveau comprises entre 0 et 4095 étant donné que la caméra utilisée opère avec un codage de 12 bits.

Par ailleurs, l’image de l’intensité du faisceau laser atténuée (I^l_λ) est corrigée en lui soustrayant l’image contenant l’intensité des émissions augmentée de celle de la radiation du fond (I_λ^f,b). D’autre part, l’intensité laser non atténuée est, elle, corrigée en lui soustrayant

celle provenant uniquement de la radiation du fond (Iλ^b).

Les deux images ainsi obtenues sont utilisées alors pour calculer la transmissivité de la lumière.

En effet, pour une hauteur « zj » au dessus du brûleur (HAB) donnée, et d’après la loi de Beer-Lambert, la transmission monochromatique pour un rayon donné « r », mesurée en terme de pixel, est liée au coefficient d’extinction local « κ », selon l’équation suivante :

log ^I

− I

I

− I

⎛

⎝

⎜ ^⎞

⎠

⎟ = − κ

(ri, zj)ds

∫

Cependant, en tant que technique intégrale, les éléments de la distribution du coefficient « κλ^ext » se présentent sous forme intégrale. Pour calculer la distribution locale de ce coefficient, il faut appliquer une méthode de déconvolution a posteriori (ou inversion tomographique) afin de remonter au coefficient d’extinction local.

Une fois toutes les lignes j traitées, la théorie de Mie permet de transformer la distribution de champ des coefficients d’extinction locaux « κλ^ext (ri,zj) » en fraction volumique de suie en supposant que les particules sont dans la limite de Rayleigh suivant l’équation :

fv ri, zj( )=^λκ

ext

ri, zj

( )

6πE m( )

où E(m) est une fonction de l’indice de réfraction complexe mλ de la suie. Sa valeur a été ajustée et vérifiée par Kashif et al. [40] et sera fixée à 0,27 pour cette étude.

Finalement, pour évaluer la tendance à la production de suie en terme d’indice YSI (Yield

Sooting Index) des différents surrogates Diesel et Biodiesel sélectionnés pour cette étude, la

fraction volumique maximale de suie fv,max = max {fv(r,zmeas)|r ∈ [0,R]}, telles quelles sont directement produites dans la flamme, est mesurée pour une concentration en vapeur bien définie dans des flammes non-prémélangées de méthane dopées avec les vapeurs des combustibles à tester, comme préconisé par McEnally et Pfefferle [39] : pour une fraction volumique maximale de suie f_v,max obtenue à une hauteur « z_meas » au dessus du brûleur, le YSI

est calculé en utilisant l’Équation 1.3 (voir Chapitre 1 Section 1.2.3.).

Ici, l’échelle YSI a été définie en utilisant le n-heptane et l’isooctane comme carburants de référence. Les valeurs YSI de 0 pour le n-heptane et de 48,6 pour l’isooctane ont été attribuées.

1.4. Méthode de prélèvement et échantillonnage des particules de