Étude de la spectroscopie LIF à deux photons de la molécule CO pour des mesures en flammes à haute pression

Investigation of two-photon LIF spectroscopy of carbon monoxide for measurements in high-pressure flames

• Auteur / Autrice : Olivier Carrivain
• Direction : Guillaume Legros, Céline Morin
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique des Fluides et Énergétique
• Date : Soutenance le 26/06/2015
• Etablissement(s) : Paris 6
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences mécaniques, acoustique, électronique et robotique de Paris (2000-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut Jean Le Rond d'Alembert (Paris ; 2006-....)
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Fabien Halter, Patrick Da Costa, Nelly Dorval, Mikaël Orain
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Pascale Desgroux, Julien Sotton

Mots clés

Mots clés contrôlés

Spectroscopie moléculaire

Fluorescence induite par laser

Mots clés libres

Spectroscopie moléculaire

Fluorescence induite par laser

Profil de raie

Simulation

Monoxyde de carbone

Imagerie

Laser induced fluorescence

Carbon monoxide

Résumé

Ce travail de thèse est consacré au développement de la technique de fluorescence induite par laser (LIF) à deux photons appliquée à la molécule CO pour des mesures en flammes à haute pression. Différents schémas d'excitation laser à deux photons et de fluorescence sont comparés afin de déterminer celui qui est le mieux adapté à la détection de CO en milieux de combustion. Le schéma de transitions électroniques B1 Σ+ - X1 Σ+ (230 nm) / B1 Σ+ - A1 Π(483 nm) est sélectionné. Un code de calcul des spectres LIF à deux photons de CO est développé pour prédire l'évolution du signal sur une large gamme de températures et de pressions. Des mesures dans une cellule à haute température et haute pression, et dans une flamme laminaire CH4/air à 1 bar sont réalisées de 300 à 1750 K, et de 1 à 13 bar. Les résultats indiquent une dépendance polynomiale d'ordre 2 du décalage spectral avec la pression ainsi que l'asymétrie du spectre qui croît avec la pression entre 300 et 860 K. La limite de détectivité de CO par LIF en ponctuel est estimée de 500 ppm en flamme à 1 bar. L'effet de la température sur les profils spectraux est bien reproduit par la simulation. La comparaison des profils mesurés en flamme à 1 bar avec les profils simulés donne une température de 1750 +-50 K, en accord avec celle prédite par le modèle de combustion. L'effet de la pression sur le profil spectral (décalage, élargissement et asymétrie) est correctement simulé en considérant un profil collisionnel de Lindholm de 1 à 5 bar à 300 K, et de 1 à 7 bar à 860 K. L'imagerie de fluorescence induite par laser de CO a été développée en flamme à 1 bar. La limite de détectivité est déterminée de 900 ppm pour nos conditions expérimentales.

This work is dedicated to the development of two-photon laser induced fluorescence (LIF) of COfor application in high-pressure flames. Different two-photon excitation and fluorescence schemes arecompared in order to determine which one is more suitable for the detection of CO in flames. TheB1Σ+ -X1Σ+ (230 nm)/B1Σ+ -A1Π (483 nm) electronic transitions scheme is chosen. A numericalcode of two-photon LIF spectra is developed to predict the evolution of fluorescence signals over awide range of temperatures and pressures. Measurements in a high temperature and high pressure celland in a laminar CH4/air flame at 1 bar are performed from 300 to 1750 K and from 1 to 13 bars.Results indicate a square dependence of the collisional shift upon pressure and a large asymmetry ofthe spectrum at high pressure between 300 and 860 K. The detection limit is estimated to be 500 ppmin flame at 1 bar. Influence of temperature on LIF spectra is well reproduced by the simulations. Comparisonbetween measured and simulated excitation spectra lead to a flame temperature of 1750+-50K, in accordance with combustion modelling. The Lindholm profile is used in order to reproduce thepressure-dependence of the spectrum in the range 1 to 5 bars at 300 K, and 1 to 7 bars at 860 K.Planar laser induced fluorescence imaging of CO is developed in flame at 1 bar. The detection limit is900 ppm in our experimental conditions.