Mesures non-intrusives

Les techniques de diagnostic laser permettent de réaliser des mesures in-situ sans perturber la flamme avec une très bonne résolution spatiale et une très bonne sensibilité (cf.

partie 2.2.2., p. 55. Pour accéder à la concentration d’une espèce, diverses techniques peuvent être employées. On peut citer par exemple, la Fluorescence Induite par Laser (FIL), l’absorption laser, la diffusion Raman, etc.

Cattolica (1982) a mesuré des profils de concentration de OH et de température dans des flammes plates CH4/air à pression atmosphérique et à différentes richesses (Φ = 0,8-1,2).

La technique employée pour mesurer les concentrations de OH est l’absorption laser sur la raie R2(7) de la bande A-X(0,0). Afin d’obtenir les profils de température, des mesures d’absorption ont été réalisées sur plusieurs raies de OH de la bande A-X(0,0) en s’appuyant sur la loi de distribution de Boltzmann. Pour valider la précision de ces données, la température a été mesurée dans les gaz brûlés par thermocouple Pt-Pt(13%Rh), un bon accord a été observé. L’incertitude sur les mesures est d’environ ± 10% sur les concentrations de OH et ± 5% (soit environ ± 100 K dans les gaz brûlés) sur la température.

En 1990, Attal-Trétout et al. (1990) ont mesuré des spectres de OH et déterminé la concentration relative de ce radical dans des flammes CH₄/air stœchiométriques à haute pression (jusqu’à 0,96 MPa) au moyen de mesures par DRASC (Diffusion Raman Anti-Stokes Cohérente). Les mesures de OH ont été réalisées tous les 500 µ m et présentent une précision de ± 5% à ± 15% à 0,1 et 0,96 MPa, respectivement. Ces mesures n’ont pas été calibrées en concentration absolue. Notons que les profils de OH mesurés ne présentent que la phase descendante de concentration de OH dans la flamme (présente dans les gaz brûlés). En effet, dans de telles conditions de pression, la flamme est très proche du brûleur et OH est formé très rapidement, il est alors très compliqué de réaliser des mesures par diagnostic optique à proximité du brûleur. Des mesures de température ont également été réalisées dans les gaz brûlés des flammes (3 mm au dessus du brûleur) par DRASC. L’incertitude sur les mesures est inférieure à ± 100 K.

En 1991, Desgroux et Cottereau (1991) ont réalisé les premières mesures quantitatives de OH par TOPLIF (Two Optical Paths Laser Induced Fluorescence) sur des flammes

une méthode de mesure par Fluorescence Induite par Laser en régime de saturation, permettant de déterminer la concentration de OH. Cette technique consiste à collecter deux signaux de fluorescence en provenance de deux volumes de mesure centrés autour d’un même point, le rapport de ces deux signaux de fluorescence étant indépendant du taux de quenching.

Ces travaux ont permis de démontrer la faisabilité de cette technique à basse pression et à pression atmosphérique. La déviation standard des signaux de fluorescence est comprise entre 10 et 15% et les auteurs indiquent que la précision peut atteindre ± 5%, avec un laser très stable par exemple. Ici également, les profils de OH mesurés à pression atmosphérique ne présentent que la phase descendante de la concentration de OH. Enfin, ces mesures ont été calibrées en concentration absolue par absorption.

Ces travaux ont été poursuivis par Desgroux et al. (1992) qui ont étendu le domaine de validation de la technique de TOPLIF jusqu’à 0,9 MPa. Les mesures de OH ont été réalisées sur des flammes CH4/air stœchiométriques et pour des pressions de 0,1 ; 0,3 ; 0,5 ; 0,7 et 0,9 MPa. L’incertitude sur les mesures de concentrations relatives de OH s’élève à environ

± 20%. Les signaux de fluorescence ont été calibrés en concentration absolue à partir des mesures réalisées lors des travaux de Desgroux et Cottereau (1991). Les densités de population de OH déterminées à pression atmosphérique sont en bon accord avec les mesures de Cattolica (1982) et de Lück et Tsatsaronis (1979). Les profils de OH ont été réalisés dans les gaz brûlés des flammes. Les profils mesurés de 0,1 à 0,7 MPa présentent un bon accord avec les mesures de Attal-Trétout et al. (1990), ce qui permet de valider la technique de TOPLIF à haute pression.

Domingues et al. (1994) ont mesuré la concentration du radical OH dans les gaz brûlés de flammes CH4/air entre 0,1 et 0,9 MPa et pour différentes richesses au moyen de quatre techniques de diagnostic optique, à savoir le mélange à quatre ondes (Degenerate Four Wave-Mixing, DFWM en anglais), la conjugaison de phase par mélange à quatre ondes (Double Phase-Conjugate Four-Wave Mixing, DPCFWM en anglais), la Fluorescence Induite par Laser et l’absorption laser. La technique de DFWM est peu sensible au quenching, ce qui la rend très attractive dans le cadre de mesures à haute pression. Néanmoins, sa mise en place nécessite un alignement très précis de trois faisceaux laser. De même, à haute pression et dans le cas de la DFWM, les importants phénomènes de déflexion tendent à réduire la qualité de l’alignement et donc des mesures. La DPCFWM est peu sensible aux problèmes de déflexion.

En revanche, sa sensibilité au quenching, bien que limitée, est délicate à évaluer. La

comparaison des mesures de concentration relatives de OH réalisées au moyen de ces deux techniques avec les mesures de OH par TOPLIF (mesures relatives) et par absorption (mesures de concentrations absolues) démontre un bon accord entre les différentes techniques.

Les mesures ont été réalisées uniquement en un point dans les gaz brûlés. L’incertitude sur les mesures de concentration n’est pas précisée.

En 1997, Versluis et al. (1997) ont mesuré des profils de concentration de OH dans des flammes CH4/air à pression atmosphérique. Pour cela, ils ont observé la fluorescence émise par la flamme suite à l’excitation de OH par un plan laser accordé sur la raie d’excitation P₁(8) de la bande A-X (0,0). En accordant le laser sur une raie très absorbante de OH, les auteurs observent une diminution du signal de fluorescence le long du profil radial de la flamme, causée par l’absorption du plan laser. La méthode présentée dans cette étude consiste à mesurer la concentration de OH à partir du rapport des signaux de fluorescence de deux images de PLIF, une avec le plan laser dans une direction définie (sens 1) et l’autre avec le plan laser dans la direction opposée (sens 2). Les auteurs démontrent que, dans les conditions de l’étude, le rapport des signaux de fluorescence, le long de la flamme, est égal au rapport des intensités des nappes laser dans les sens 1 et 2. Par conséquent, il est possible de déterminer la concentration de OH à l’aide de la loi de Beer-Lambert. Notons de plus que l’influence du quenching et du trapping sur les signaux de fluorescence s’annule lorsque l’on effectue le rapport des signaux. Les incertitudes sur la concentration de OH mesurée au cours de ce travail ne sont pas fournies.

Arnold et al. (1997) ont réalisé des mesures de OH dans des flammes CH4/air à 0,1, 0,5 et 2 MPa par PLIF. Les profils de OH sont calibrés en concentration absolue par absorption. La résolution spatiale des mesures est de 100 µm et la précision sur les mesures est comprise entre 10 et 15%.

Dans le cadre d’une étude sur la formation de NO dans les flammes de méthane, Thomsen et al. (1999) ont mesuré des profils de concentration de NO dans des flammes CH4/air prémélangées à 0,1 MPa et à 1,48 MPa et mesuré la concentration de NO au niveau des gaz brûlés sur un grand nombre de flammes CH₄/air pour des richesses comprises entre 0,5 et 1,2 et des pressions comprises entre 0,1 et 1,48 MPa. Les mesures ont été réalisées par FIL puis calibrées en concentration absolue par dopage en NO. Cette méthode consiste à

calibration du signal de fluorescence en fonction de la concentration de NO. Notons toutefois CH dans une flamme CH₄/air par CRDS. Lors des mesures par CRDS, la largeur minimale du faisceau laser au centre de la cavité est généralement de l’ordre de quelques centaines de microns (dans cette étude, environ 400 µ m). Dans ces conditions, il est compliqué d’obtenir une résolution suffisante pour tracer des profils d’espèces dans des flammes à pression atmosphérique. Evertsen et al. (1999) ont développé une méthode pour palier ce problème. En considérant le profil d’énergie du faisceau laser et le profil de CH comme des gaussiennes, ils ont déconvolué le profil de CH mesuré par le profil spatial d’énergie laser (cf. Figure II.17.).

En procédant ainsi, ils ont pu réaliser des mesures de concentration de CH tous les 30 µ m.

Pour exploiter des mesures d’absorption, il est nécessaire de connaître la longueur du milieu absorbant, dans cette étude, la longueur est considérée comme égale au diamètre du brûleur.

Figure II.17. Représentation schématique des corrections apportées au profil de CH mesuré expérimentalement par Evertsen et al. (1999)

Evertsen et al. (2003b) ont mesuré des profils de CH et de OH dans des flammes CH4/air à pression atmosphérique. Les profils de concentration de CH mesurés dans les travaux de Evertsen et al. (1999) ont été mesurés une nouvelle fois car les propriétés du brûleur ont été optimisées. En particulier, le système dispose d’un meilleur contrôle des débits de gaz et de la température du brûleur. Dans ces travaux, la mesure de la longueur du milieu

0

Distance au dessus du brûleur (cm)

0

Distance au dessus du brûleur (cm) Mesures expérimentales de [CH]

― « fit » des points expérimentaux

― Profil spatial d’énergie laser

--- Profil « réel » de [CH]

Déconvolution

absorbant est plus précise puisqu’elle est déterminée, d’une part, en s’appuyant sur l’observation de la chimiluminescence de CH* et, d’autre part, par inversion d’Abel en mesurant l’absorption du faisceau laser en fonction de la distance radiale par rapport au centre du brûleur. Les longueurs mesurées sont, respectivement, 27,1 mm et 26,4 mm (diamètre du brûleur : 30 mm). La longueur du milieu absorbant retenue par les auteurs est la moyenne des deux mesures, soit 26,8 mm. La méthode décrite dans les travaux de Evertsen et al. (1999) permettant de déterminer les profils de CH par CRDS avec une très bonne résolution spatiale a été utilisée. Les profils de OH ont été mesurés par absorption simple passage. Les mesures ont été effectuées tous les 100 µm. L’incertitude sur les mesures de OH est d’environ ± 10%.

La même année, le même groupe de chercheurs a publié des travaux sur les profils de HCO et de CH₂ dans une flamme prémélangée de CH₄/air [Evertsen et al. (2003a)]. Les espèces ont été mesurées par CRDS. Cependant, en raison de problèmes de déflexion du faisceau laser dans le voisinage du front de flamme, les mesures n’ont pas pu être réalisées près du brûleur. De ce fait, les profils mesurés présentent seulement la phase décroissante de CH2 et HCO. Les mesures ont été réalisées tous les 30 µ m bien que le faisceau laser ait une largeur d’environ 300 µ m au niveau du point de mesure. Ainsi, pour tenir compte de l’influence du faisceau laser sur les profils expérimentaux lors de la comparaison avec la modélisation, les profils modélisés ont été convolués avec le profil spatial d’énergie laser.