Mesure quantitative d'un champ de températures par fluorescence induite par laser pour l'étude de l'auto-inflammation HCCI dans une Machine à Compression Rapide

Temperature field measurement by laser induced fluorescence for the HCCI combustion study in a Rapid Compression Machine

• Auteur / Autrice : Khanh-Hung Tran
• Direction : Philippe Guibert
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique des Fluides et Energétiques
• Date : Soutenance en 2012
• Etablissement(s) : Paris 6

Mots clés

Mots clés contrôlés

Vélocimétrie par images de particules

Hautes températures

Hautes pressions

Anisole

Fluorescence induite par laser

Résumé

L’objectif de la thèse consiste à définir une méthodologie de la mesure bidimensionnelle de la température d’une machine à compression rapide (MCR) au moyen de la technique de fluorescence induite par laser (LIF). Cette technique est appliquée pour caractériser les hétérogénéités de températures venant initier l’auto-inflammation de type HCCI (Homogeneous Charge Compression Ignition) de différents carburants (n-heptane, isooctane, hydrogène) dans la MCR. L’approche méthodologique consiste dans un premier temps à déterminer la fluorescence de plusieurs traceurs tels que le fluoranthène, le 3-pentanone, le toluène et l’anisole. Grâce à ces propriétés photo-physiques et spectroscopiques, l’anisole a été sélectionné comme traceur fluorescence de notre étude. L’influence des paramètres thermodynamiques (température, pression) sur le signal de fluorescence de l’anisole a été étudiée indépendamment dans différents gaz ambiants (Ar, CO2, N2 et différentes compositions de gaz), grâce à une enceinte Haute Pression-Haute Température. De plus à partir des données expérimentales, l’évolution du rendement quantique de fluorescence a été estimée dans des conditions typiques des moteurs. Afin de compléter l’étude expérimentale, une modélisation du rendement quantique de fluorescence a été effectuée, basée sur les principaux mécanismes de désexcitation des molécules organiques. La technique LIF à une longueur d’onde d’excitation et deux bandes spectrales d’intégration peut alors être développée et calibrée avec l’anisole pour la mesure de température. En effet, cette technique utilise la dépendance du signal de fluorescence aux conditions thermodynamiques (température, pression). Cette technique est alors appliquée sur la Machine à Compression Rapide, pour la mesure de la distribution de température au sein de la chambre de combustion afin de caractériser les conditions initiales lors de l’instant de l’auto-inflammation. Un couplage LIF/PIV a été également effectué afin de caractériser l’influence de l’aérodynamique interne sur la répartition des hétérogénéités de température

Thesis objectives deal with a methodology of the measurement of temperature fields in Rapid Compression Machine (RCM) from the Laser Induced Fluorescence (LIF) technique. The aim of this LIF technique is to characterise temperature heterogeneities coming from the Homogeneous Charge Compression Ignition (HCCI) of different fuels such as n-heptane, isooctane and hydrogen in the MCR. The first step of this methodology is to determine the fluorescence of several tracers like fluoranthene, 3-pantanone, toluene and anisole. In this study, the anisole has been selected as a fluorescence tracer because of its satisfactory photo-physics and spectroscopics properties. A thermodynamic parametric study has been performed, secondly, on the anisole fluorescence signal in different ambient gases (Ar, CO2, N2 and other different gases) in a confined high pressure and high temperature facility. Furthermore, the fluorescence quantum yield evolution has been estimated, from experimental data, in typical engine conditions. Then, a modelling of the fluorescence quantum yield has been developed to complete the experimental study and based on desexcitation mechanisms of organic molecule. The LIF technique with one excitation wavelength and two colour detection can then be studied and calibrated with anisole molecule for the temperature measurement. Indeed, the fluorescence signal linked to the thermodynamic conditions (temperature and pressure) is applied in this technique. This LIF technique is also applied in a RCM to the temperature field measurement in the combustion chamber in order to characterise thermodynamic initial conditions through the auto-ignition. Finally, the coupling LIF/Particle Image Velocimetry (PIV) has been realised to characterise the internal aerodynamic effect on the heterogeneities distribution of the temperature