Vélocimétrie par marquage moléculaire pour des écoulements de gaz raréfiés et confinés

Molecular tagging velocimetry in rarefied and confined gas flows

• Auteur / Autrice : Dominique Fratantonio
• Direction : Stéphane Colin, Marcos javier Rojas cardenas
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique des fluides
• Date : Soutenance le 18/01/2019
• Etablissement(s) : Toulouse, INSA
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Mécanique, énergétique, génie civil et procédés (Toulouse)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut Clément Ader - Institut Clément Ader / ICA
• Jury : Président / Présidente : Irina Graur-Martin
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Stéphane Colin, Marcos javier Rojas cardenas, Gian luca Morini, Salvador Martin Montero, Annie Colin, Aldo Frezzotti, Christine Barrot
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Gian luca Morini, Salvador Martin Montero

Mots clés

Mots clés contrôlés

Acétone

Phosphorescence

Gaz -- Écoulement

Mots clés libres

Micro-écoulements gazeux

Gaz raréfié

Vitesse de glissement

Vélocimétrie par marquage moléculaire

Phosphorescence

Acétone

Diacétyle

Traitement d’image numérique

Gas microflows

Rarefied gas

Slip velocity

Molecular tagging velocimetry

Phosphorescence

Acetone

Diacetyl

Digital image processing

Résumé

Le marquage moléculaire est une technique expérimentale permettant d’effectuer de manière peu intrusive de la vélocimétrie au sein des écoulements. La mesure est basée sur le suivi de molécules capable d’émettre de la lumière suite à une excitation par une source laser. La mesure locale de vitesse est alors déduite de la visualisation du déplacement des molécules traceuses. Bien que la vélocimétrie par marquage moléculaire (MTV) ait déjà été utilisée avec succès pour des écoulements liquides ou gazeux, son application à des écoulements gazeux raréfiés internes reste encore un défi en raison de la diffusion moléculaire élevée et de la faiblesse de l’émission lumineuse à basse pression. Néanmoins, pouvoir appliquer la MTV en condition de gaz raréfié est intéressant du fait du manque de données expérimentales locales nécessaires à une meilleure compréhension des mécanismes d’interaction moléculaire entre le gaz et une surface solide. Dans ce travail, une étude expérimentale a été menée sur l’intensité et le temps de vie de la photoluminescence des traceurs moléculaires utilisés, à savoir l’acétone et le diacétyle vapeurs. Cette analyse a permis d’estimer les conditions expérimentales optimales pour l’application de la MTV aux gaz raréfiés. Ainsi, la MTV a été appliquée à des écoulements de mélanges gaz-traceur à basses pressions dans un canal millimétrique de section rectangulaire, fournissant ainsi les premiers résultats de vélocimétrie en régime d’écoulement légèrement raréfié.

Molecular tagging velocimetry (MTV) is an optic experimental technique widely employed for measuring the velocity field in fluid flows. The measuring principle is based on the tracking of molecules able to emit light in response to a laser excitation. By seeding the flow with this tracer, local velocity measurements can be carried out by following the displacement of the emitting molecules. While this technique has already been successfully applied in liquid and gas flows, the application to rarefied and confined gas flows is still a challenge due to the high molecular diffusion and the low emitted light from the tracer at low pressures. The interest in applying MTV in rarefied conditions derives from the absence of local experimental data that can allow a better understanding on the mechanisms of interaction between the gas molecules and the wall surface. In this work, an experimental analysis of the intensity and lifetime of the photoluminescence of the molecular tracers employed, i.e., acetone and diacetyl, is presented. This analysis allowed to estimate the best working conditions in order to be able to apply MTV to rarefied gas flows. Thus, MTV has been applied to gas-tracer mixtures at low pressures in a millimetric rectangular channel producing the first preliminary results in the slip flow regime.