Imagerie ultra-rapide des sprays de carburant : développement de diagnostics optiques, traitements d'images

Ultrafast imaging of fuel sprays : development of optical diagnostics, image processing

• Auteur / Autrice : Harsh Purwar
• Direction : Claude Rozé
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Energétique
• Date : Soutenance en 2015
• Etablissement(s) : Rouen
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale sciences physiques mathématiques et de l'information pour l'ingénieur (Saint-Etienne-du-Rouvray, Seine-Maritime....-2016)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Complexe de recherche interprofessionnel en aérothermochimie (Saint-Etienne-du-Rouvray, Seine-Maritime1967-....)

Mots clés

Mots clés contrôlés

Polarisation (lumière)

Lasers femtoseconde

Optique non linéaire

Traitement d'images

Moteurs diesel -- Alimentation en carburant

Atomisation

Résumé

L’atomisation du carburant joue un rôle très important dans l’efficacité globale du moteur à combustion interne utilisant le Diesel. Ce travail se concentre sur le développement d’outils de diagnostics optiques rapides pour l’étude de l’atomisation du combustible liquide, avec pour but de caractériser les jets de carburant en proche sortie de l’injecteur. Dans un premier temps, les techniques d’imagerie classiques utilisant (i) un éclairage continu avec une caméra à haute vitesse et (ii) un éclairage pulsé ultra-court avec une caméra CCD haute résolution sont examinées. L’utilisation d’un supercontinuum (SC) pour éclairer le jet est testée. On observe alors que les images de spray obtenues avec ce type d’éclairage sont presque exemptes de speckle, ce qui en améliore considérablement la netteté. Une technique d’imagerie classique est ensuite appliquée à l’étude de la cavitation à l’intérieur d’un injecteur transparent et une première approche de ce problème est présentée. Dans la partie suivante de la thèse, la problématique de la réduction du bruit dû à la diffusion multiple de la lumière sur le jet de carburant est posée. Les avantages et les inconvénients d’un montage utilisant une porte optique à effet Kerr avec des faisceaux pompe et sonde non colinéaires sont présentés. Une nouvelle approche avec des faisceaux pompe et sonde colinéaires aboutissant à une résolution temporelle de 1 ps est proposée. Des images balistiques de sprays de carburant en proche sortie d’injecteur ayant une excellente résolution spatiale sont ainsi obtenues. La possibilité d’utiliser un éclairage de type SC avec une porte optique est également discutée. Les images de sprays réalisées par ce montage montrent que l’on réduit le speckle tout en gardant une bonne résolution spatiale. Enfin, les propriétés polarimétriques du milieu Kerr utilisé lorsqu’il est soumis au faisceau pompe sont caractérisées par la mesure de sa matrice de Mueller (MM). Les paramètres de polarisation dépolarisation, diatténuation et retardance sont alors quantifiés par décomposition de la MM mesurée, en utilisant le formalisme de décomposition polaire.

Fuel atomization plays a very crucial role in determining the overall efficiency of diesel internal combustion engines. This work focuses on developing fast optical diagnostic tools for the study of the liquid fuel atomization with an aim to characterize the fuel sprays in the near-field of the injector nozzle. At first, classical imaging techniques using continuous illumination with a high-speed camera and an ultra-short pulsed illumination with a high-resolution CCD camera are reviewed. Next, the possibility of supercontinuum (SC) derived illumination is investigated. It was observed that the spray images obtained with such an illumination were almost free from laser speckle, which tremendously improved the clarity of these images. An application of the classical imaging technique to a preliminary study of cavitation inside a transparent injector is presented. In the next part of the thesis optical techniques to reduce the noise originating due to the multiple scattering of light from its interaction with the fuel spray are studied. Optical Kerr effect based time-gate in its primitive crossed-beam configuration is reviewed and a novel approach with collinear overlap of the pump and probe beams for time-resolved imaging of fuel spray with time resolution 1 ps is proposed. Ballistic images of fuel spray in the near-nozzle region with high spatial resolution are obtained. The possibility of using SCderived illumination with the optical time-gate configuration is also discussed. Preliminary time-gated spray images obtained by using SC-derived probe beam for spray illumination in the optical-gate setup shows that laser speckle is substantially reduced maintaining a similar time resolution. The change in the optical polarization properties of the Kerr medium on introduction of the pump pulse are completely characterized by measuring its Mueller matrix (MM). The polarization parameters – depolarization, diattenuation, and retardance are then quantified by decomposing the measured MM using polar decomposition formalism