Fluorescence plane induite par laser appliquée à l'étude d'un écoulement de convection mixte - Caractérisation et simulation

Applying Plannar Laser Induced Fluorescence to a Mixed Convection Air Flow : Characterisation and Simulation

• Auteur / Autrice : Florent Germain
• Direction : Frédéric Plourde, Dominique Couton, Gildas Lalizel
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Energétique, thermique, combustion
• Date : Soutenance le 05/06/2015
• Etablissement(s) : Chasseneuil-du-Poitou, Ecole nationale supérieure de mécanique et d'aérotechnique
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences et ingénierie des matériaux, mécanique, énergétique et aéronautique (Poitiers ; 2009-2018)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut Pprime- ENSMA
• Jury : Président / Présidente : Pierre Millan
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Alexander M. K. P. Taylor
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Fabrice Lemoine, Frédéric Grisch

Mots clés

Mots clés contrôlés

Fluorescence induite par laser

Écoulement instationnaire (dynamique des fluides)

Échauffement aérodynamique

Chaleur -- Convection

Vélocimétrie par images de particules

Thermographie

Thermométrie

Acétone

Mots clés libres

Métrologie non-intrusive

Fluorescence plane induite par laser

Non-intrusive metrology

Plannar laser induced fluorescence

Résumé

La métrologie non-intrusive est une composante essentielle de la recherche expérimentale en mécanique des fluides. La connaissance instantanée des champs de vitesse et de température apportent des informations essentielles à la compréhension des phénomènes instationnaires aérothermiques. Toutefois, si les mesures de vitesses sont aisément réalisées, l’obtention de champs de température s’avère plus complexe. L’une des voies étudiées pour y parvenir estla Fluorescence Plane Induite par LASER, ou PLIF. Son principe repose sur l’acquisition de signaux lumineux de fluorescence, dépendants de la température, consécutifs à l’excitation du milieu par un faisceau LASER intense. En particulier, la PLIF acétone à deux longueurs d’onde emploie l’acétone comme traceur fluorescent et deux LASER comme source d’excitation pour s’affranchir de la dépendance en concentration en acétone. Toutefois, selon la longueur d’onde,l’énergie LASER ou la gamme de température explorée, la PLIF-2λ peut s’avérer difficile à mettre en oeuvre du fait d’un manque de sensibilité, lié à un signal de fluorescence trop faible.Dès lors, plusieurs étapes correctives visant à améliorer le rapport signal-sur-bruit peuvent être mises en oeuvre. Le présent travail s’intéresse ainsi à déterminer la pertinence de cette méthode métrologique dans la qualification aérothermique d’un écoulement de convection mixte autour d’un cylindre chauffé, en couplant la PLIF-2λ à la Vélocimétrie par Imagerie de Particules(PIV). Le montage expérimental est détaillé, ainsi que les processus correctifs et l’étalonnage mis en place pour la PLIF. Les résultats expérimentaux sur le cylindre chauffé sont ensuite présentés et comparés aux travaux de la littérature, puis un modèle de la fluorescence et des caméras employées est élaboré pour permettre d’estimer la précision atteignable en pratique selon la longueur d’onde, l’énergie LASER, la concentration et les caméras, et ainsi rendre possible la présélection des équipements nécessaires aux travaux futurs.

Non-intrusive metrology is essential in experimental fluid mechanics experiments. In particular, simultaneous acquisition of instantaneous velocity and temperature fields offers valuable insights in instationnary aerothermal behaviours. However, if instantaneous velocity fields can be acquired quite easily using the Particles Image Velocimetry technic (PIV), instantaneous temperature fields are much more complex to obtain. Plannar Laser Induced Fluorescence (PLIF) is one of the technics allowing such a measurement. The emitted LASER light induces excitation of acetone molecules, the tracer in the studied air flow. Then, the fluorescence following de-excitation, which is temperature-dependant, is recorded. In particular, 2 λ-PLIF uses dual wavelength LASER excitation to remove acetone concentration dependency in the measurement. Yet, depending of the wavelengths, the LASER energy or the temperature range investigated, using 2 λ-PLIF can be difficult due to a very low temperature sensitivity and very dim fluorescence. To solve those issues and improve signal-to-noise ratio, acquired images can be corrected according to different parameters in an interative process. Present work is dedicated to evaluate efficiency of corrected 2 λ-PLIF applied to the study of a mixed convection flow around a heated cylinder in the 20-300 C temperature range. The goal is to obtain aerothermal qualification of the flow thanks to simultaneous 2 λ-PLIF and PIV. In the present work, experimental bench is detailled as well as the calibrating and correcting process of the 2 λ-PLIF. Then, experimental results are discussed and confronted to results from litterature. Finally, a model of the fluorescence and camera-generated noise is discussed and used to generate simulated fluroescence images and determine the impact of all parameters (wavelengths, LASER energy, acetone concentration and camera intensification gain) on the measurement precision and thus enable adequate choice of equipments for next experiments.