Mesure de taille de gouttes d'eau et de cristaux de glace par imagerie interférométrique pour les applications aéroportées

par Justin Jacquot Kielar

Thèse de doctorat en Optique et Laser

Sous la direction de Marc Brunel.

Les rapporteurs étaient Fabrice Lemoine, Pascal Picart.


  • Résumé

    Le givrage des aéronefs constitue une des problématiques majeures dans le domaine de la sécurité aérienne. L’accrétion de glace sur les différentes parties externes de l’appareil (ailes, sondes, moteurs) peut causer de graves dégâts conduisant au crash de l’aéronef. Dans le but d’éviter ce type d’accident, les réglementations imposent aux avionneurs d’être capables de caractériser en temps réel les conditions givrantes pendant le vol, par exemple grâce à une sonde aéroportée. Il s’agit de mesurer les tailles des gouttes d’eau surfondues et des cristaux de glace présents au passage de l’aéronef puis d’en déterminer leur concentration (en g. M−3). Ce travail de thèse a pour but de valider et d’améliorer l’utilisation de la technique optique imagerie interférométrique en défaut de mise au point (ou IPI pour Interferometric Particle Imaging) utilisée par la sonde de détection développée ici. La technique IPI est déjà largement utilisée dans le cas de la mesure de taille de gouttes d’eau, notre objectif est de l’étendre à la mesure de taille de particules irrégulières, tels que les cristaux de glace. La construction d’une colonne réfrigérante a permis de générer des cristaux de glace en laboratoire facilitant ainsi la réalisation d’expériences de validation de l’IPI appliquée à la mesure de ce type de particules. La première expérience a conduit à l’observation simultanée de gouttes d’eau et de cristaux de glace par IPI et holographie numérique en ligne. La seconde consistait en l’observation simultanée de cristaux de glace par IPI et par microscopie. L’analyse des différents résultats obtenus a validé la mesure de taille de cristaux de glace par IPI et a également pu mettre en évidence le fait qu’il était possible de retrouver des informations sur la morphologie des particules irrégulières grâce à cette technique. Lors de vols d’essais en janvier 2016, la sonde AIIS (Airborne Interferometric Ice Sensor) a détecté et mesuré les tailles de gouttes d’eau et de cristaux de glace directement dans les nuages.

  • Titre traduit

    Size measurement of water droplets and ice crystals using interferometric particle imaging for airborne application


  • Résumé

    The aircraft icing is one of the most important problem in the field of aviation safety. The ice accretion on the external parts of the aircraft (wings, probes, engines) can be at the origin of great damages which can lead to the crash. In order to avoid such accidents, the Ferderal Aviation Agency requires that aircraft manufacturers have to be able to characterize the icing conditions in real-time during flight by using a dedicated airborne probe. It means size measurement of supercooled water droplets and ice crystals around the aircraft and the calculation of their concentration (in g. M−3). This thesis’s goal is to validate and improve the use of the optical technique Interferometric Particle Imaging (IPI) set up in the airborne probe developed here. The IPI technique is already widely used for droplets sizing, we extend it to the size measurement of irregular rough particles like ice crystals. The build of an icing column allowed to generate ice crystals in-lab which facilitated the set up of different validation experiments for the size measurement of irregular rough particles by IPI technique. The first experiment was the simultaneous recording of IPI images and digital holograms of water droplets and ice crystals. The second one was the simultaneous recording of IPI and in-focus images (microscopy) of ice crystals. The analysis of the final results validated the size measurement of ice crystals with an IPI system and also highlighted that it was possible to retrieve some morphological informations about these irregular particles. During flight test sessions in January 2016, the AIIS probe (Airborne Interferometric Ice Sensor) has detected and has measured sizes of water droplets and ice crystals inside clouds.

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Informations

  • Détails : 1 vol. (168 p.)
  • Notes : Publication autorisée par le jury
  • Annexes : Bibliogr. 135 références

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