Fluorescence induite par laser du radical OH

d'avoir des informations sur la topologie instantanée et moyenne de ces ammes. La chimiluminescence OH∗ donne une indication de cette topologie, mais le si-gnal étant intégré selon la ligne de vue et la structure instantanée de la amme étant tridimensionnelle, il n'est pas possible d'appliquer la transformée d'Abel inverse des images instantanées. La uorescence induite par laser (LIF) est souvent utilisée (Eckbreth (1996),Buschmann et al. (1996),Hassel and Linow (2000), Xavier et al. (2014)) pour déterminer la topologie moyenne ou à un instant donné d'une amme dans un écoulement et examiner sa structure. La technique de uorescence induite par laser du radical OH est utilisée dans ces travaux. Elle est notamment décrite dans l'article deDaily (1997).

La uorescence induite par laser du radical OH dans un plan (PLIF OH) est une technique qui permet d'observer la distribution de uorescence de la molécule OH dans un plan laser. Le radical OH est créé au niveau de la zone de réaction

ce radical permet donc de séparer les réactifs situés en amont du front de amme des gaz brûlés situés en aval. Il est également possible d'en déduire la position du front de amme (Cessou and Stepowski (1996),Stöhr et al. (2011)). Le radical OH dans son état fondamental n'émet pas spontanément de lumière. Pour réaliser des mesures, il est nécessaire de l'exciter. La molécule émet dans ces conditions un signal lumineux de uorescence lors de son retour à l'état fondamental. La longueur d'onde d'excitation de la molécule et la longueur d'onde de collection du signal de uorescence doivent être bien choisies. La lon-gueur d'onde d'excitation doit correspondre à une transition autorisée pour le radical OH. C'est la bande appelée A2Σ − X²Π(1, 0)qui a été choisie dans ces travaux et qui est souvent utilisée (Daily (1997), Tanahashi et al. (2005), Sa-danandan et al. (2008)). Elle permet d'obtenir un bon rapport signal sur bruit et les longueurs d'onde d'excitation sont bien séparées des longueurs d'onde de uorescence du radical OH. La gure 4.11 montre le spectre d'absorption du radical OH entre 280 et 290 nm correspondant aux longueurs d'onde d'excita-tion de la bande A2Σ − X²Π(1, 0), ainsi que le spectre de ré-émission du radical OH∗ (300 et 320 nm) correspondant. Cette gure a été obtenue à l'aide du logiciel LIFBASE développé parLuque and Crosley (1999). Les deux spectres sont bien séparés ce qui permet avec un ltre de collection adapté sur la caméra d'éliminer les signaux parasites issus du laser.

Bande d'excitation

Bande d'émission

Figure 4.11  Spectres d'absorption et d'émission normalisés du radical OH calculé avec le logiciel LIFBASELuque and Crosley (1999)pour une résolution de l'instrument de mesure de 1 nm.

Dans la bande A2Σ − X²Π(1, 0), plusieurs transitions correspondant à dié-rentes longueurs d'onde peuvent être excitées. La gure4.12 montre le spectre d'absorption du radical OH dans la bande A2Σ − X²Π(1, 0) obtenu avec une résolution de 0.01 nm et une température T = 2200 K. Cette température correspond à la température adiabatique de n de combustion d'un mélange CH4/O2/CO2 avec XCO2= 0.68et φ = 0.95. Chaque pic sur cette gure repré-sente une longueur d'onde possible d'excitation. La transition notée Q1(6) est celle qui a le plus grand coecient d'absorption à la température T = 2200 K. Cette transition est donc souvent utilisée pour déterminer la position des gaz brûlés car elle permet d'obtenir un bon rapport signal sur bruit à des tempé-ratures proches de 2000 K (Cessou and Stepowski (1996),Ayoola et al. (2006),

Guiberti et al. (2015)).

Q₁(6)

Figure 4.12  Spectres d'absorption normalisés du radical OH obtenu avec le logiciel

LIFBASE Luque and Crosley (1999) pour une résolution de l'instrument de mesure

de 0.01 nm.

Un schéma du dispositif expérimental utilisé pour réaliser les mesures PLIF OH est présenté à la gure 4.13. Ce dispositif permet d'obtenir une image bi-dimensionnelle dans un plan longitudinal du foyer. Il est composé d'un laser à colorant (Continuum ND6000) pompé par un laser Nd :YAG (Continuum Precision). Le colorant utilisé est de la Rhodamine 590 diluée dans du mé-thanol. Le laser à colorant permet d'ajuster la longueur d'onde de sortie entre 219 ≤ λ ≤ 442nm avec une résolution de 0.001 nm. Le système de collection est une caméra CCD intensiée 16 bit (ICCD, Princeton, PI-MAX4, 1024 × 1024 pixels). Elle est équipée d'un objectif UV (Nikkor 105 mm). Un ltre passe-bande de 10 mm centré autour 310 nm est utilisé pour éliminer les émissions parasites. La synchronisation des appareils n'est pas réalisée par un générateur

Miroir Lentille cylindrique Lentille sphérique convexe Piège à faisceaux Caméra ICCD Laser à colorant Doubleur de fréquence Laser Nd:Yag Objectif Filtre passe-bande

Figure 4.13  Schéma du banc PLIF OH.

d'impulsion comme dans le cas du montage PIV mais directement avec la ca-méra et le laser. Le signal d'impulsion du laser sert à déclencher l'ouverture de la caméra dont la synchronisation est assurée par le logiciel de gestion de la caméra LightFields . Pour chaque point de fonctionnement étudié, 1500R

images ont été prises pour assurer la convergence statistique de la moyenne et de la valeur moyenne quadratique du signal.

La PLIF OH permet dans une certaine mesure de séparer également les gaz brûlés issus de la zone de réaction de ceux ramenés par les zones de recircula-tion au niveau de la zone de réacrecircula-tion. Les gaz chauds ramenés par les zones de recirculation sont refroidis par les pertes thermiques aux parois du foyer. L'équi-libre chimique dans ces gaz brûlés refroidis est déplacé vers la vapeur d'eau aux dépends du radical OH (Lam et al. (2013)). La concentration du radical OH en aval du front de amme dépend en eet fortement de la température des gaz et chute avec celle-ci. La concentration des radicaux OH dans les gaz brûlés ramenés par les zones de recirculation est alors trop faible pour être détectée par l'appareil de mesure. Ces gaz brûlés refroidis apparaissent alors comme les gaz frais en noir sur les images enregistrées. Il n'est donc pas possible de distinguer sur ces images les réactifs froids des produits de combustion refroidis.

(c)

(b)

(a)

Figure 4.14  Traitement d'image utilisé pour obtenir la probabilité de présence des gaz brûlés à partir des images LIF.

Deux types de traitement statistiques décrits ci-dessous sont réalisés pour dé-terminer la probabilité de présence des gaz brûlés et la probabilité de présence du front de amme à partir des images de uorescence.

La gure4.14décrit la méthode utilisée pour calculer la probabilité de présence des gaz brûlés chauds. Les clichés instantanés, gure4.14(a), sont d'abord bina-risés, gure4.14(b). Un seuil correspondant à 10% de l'intensité maximum est utilisé pour traiter ces images. Ce seuil permet de ne prendre en compte que les gaz brûlés chauds et éliminer les gaz brûlés plus froids situés dans les zones de recirculation interne et externes de l'écoulement. Une moyenne des N = 1500

Figure 4.15  Images OH LIF instantanées d'une amme CH4/air. La limite rouge

(a) (b)

(c) (d)

(e)

Figure 4.16  Traitement d'image utilisé pour obtenir la probabilité de présence du front de amme à partir des images LIF.

images binarisées est ensuite réalisée. Cette image moyenne est nalement re-normalisée par le maximum d'intensité présent sur l'image, puis multiplié par 100 pour déterminer une probabilité de présence en pourcentage. L'image nale de la gure 4.14(c) représente donc la probabilité de présence des gaz brûlés chauds exprimée en pourcentage.

Sur les images de la gure 4.15, la frontière entre les gaz brûlés et les gaz frais indiquée en rouge correspond à la position du front de amme. Pour obtenir cette position, les images instantanées, gure 4.16(a) subissent d'abord un l-trage spatial an de lisser les gradients trop importants, gure 4.16(b). Un algorithme de détection de contour basé sur les gradients d'intensité est ensuite appliquée, gure4.16(c). On voit sur la gure4.16(c) que des gradients sont dé-tectés sur toute l'image. Un deuxième ltre permet de supprimer les gradients les plus faibles dus au bruit de la mesure. On remarque cependant qu'il per-siste des gradients détectés qui ne correspondent pas au front de amme. Seul les gradients les plus intenses correspondent à la position du front de amme. Un seuillage et une binarisation de l'images est donc réalisée pour supprimer les gradients qui ne correspondent pas au front de amme, gure 4.16(d). Le choix du seuil est important car il ne faut conserver que l'information utile et supprimer celle qui correspond à l'interface entre les gaz brûlés chauds et les gaz brûlés qui recirculent et qui sont plus froids. Après plusieurs tests, un seuil à 20% de l'intensité maximum donne les meilleurs résultats. Chaque trait sur l'image représente alors le front de amme qui est articiellement épaissi. En-n, la probabilité de présence du front de amme est obtenue en réalisant une moyenne sur les 1500 images traitées, gure 4.16(e).