Cartographie d’espèces chimiques en combustion par tomographie et spectroscopie d’absorption multifaisceaux

Chemical species cartography in combustion by tomography and multiple laser beams absorption spectroscopy

• Auteur / Autrice : Vincent Corbas
• Direction : Ajmal Khan Mohamed
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 05/12/2019
• Etablissement(s) : Université Paris-Saclay (ComUE)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Ondes et matière (Orsay, Essonne ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Office national d'études et recherches aérospatiales. Département Physique, Instrumentation, Environnement, Espace (DPHY)
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : Université Paris-Sud (1970-2019)
• Jury : Président / Présidente : Weidong Chen
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Ajmal Khan Mohamed, Weidong Chen, Jean-François Giovannelli, Frédéric Grisch, Raphaël Vallon, Brigitte Attal-Trétout, Guy Le Besnerais
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Jean-François Giovannelli, Frédéric Grisch

Mots clés

Mots clés contrôlés

Chambres de combustion

Mesures optiques

Dynamique des fluides

Spectroscopie d'absorption

Tomographie (mathématiques)

Tomographie

Mots clés libres

Tomographie

Spectroscopie d'absorption

Métrologie laser

Combustion

Tomography

Absorption spectroscopy

Laser metrology

Combustion

Résumé

La concentration des espèces chimiques comme H₂O, CO₂, CO, K, HCl ainsi que les grandeurs thermodynamiques comme la pression et la température sont des paramètres clés pour comprendre les réactions de combustion. Ces données permettent de mieux caractériser la combustion dans les foyers aéronautiques et aussi d’affiner les simulations numériques qui permettent d’aider à la conception de moteurs. L’objectif est d’améliorer leur efficacité avec un meilleur rendement et une diminution du rejet de gaz polluants. L’objectif de la thèse est de développer une méthode de caractérisation optique non-intrusive permettant d’obtenir des cartographies de concentrations d’espèces chimiques, de température et de pression dans ces flammes. Cette méthode consiste à acquérir des spectres d’absorption à plusieurs positions et angles dans l’écoulement réactif. L’inversion spectral de ces données permettra de remonter quantitativement aux concentrations chimiques, à la pression et à la température. Dans la thèse, nous avons choisi de combiner cette inversion spectrale à un algorithme de tomographie permettant d’améliorer la résolution spatiale. La méthode développée est appelée Tunable Diode Laser Absorption Tomography (TDLAT). Deux axes de recherches ont été poursuivis au cours de la thèse. Le premier a consisté à développer plusieurs spectromètres d’absorptions associés à un système mécanique de balayage spatial de la flamme. Dans un second temps, nous avons cherché à développer un algorithme de tomographie non-linéaire permettant d’exploiter les séries de spectres d’absorption pour obtenir la résolution spatiale. Les principaux résultats obtenus en simulation ont permis d’optimiser l’algorithme et aussi d’adapter son fonctionnement aux configurations de mesures représentatives des bancs de combustion. Les principaux résultats de mesures ont été enregistrés dans une flamme de laboratoire et sur un banc de combustion de propergol solide.

Chemical species densities like H₂O, CO₂, CO, K, HCl and thermodynamic data like pressure and temperature are keys parameters to understand combustion. Measurements of these parameters are great help to validate or complement numerical simulations aiming at improving engine design and efficiency. The current thesis presents the development of an optical characterization method leading to two dimensional maps of chemical densities, pressure and temperature in combustion flames. This method consists to acquire absorption spectra at different positions and angles around the reactive flow. The spectral inversion of these data can be used to recover quantitatively chemical densities, pressure and temperature. In this thesis, we have chosen to combine this spectral inversion with a tomographic algorithm in order to obtain results with improved spatial resolution. The developed method is called Tunable Diode Laser Absorption Tomography (TDLAT).Two research directions have been followed during the thesis. The first consisted to develop several absorption spectrometers associated with a mechanical scanning device of the flame. In a second time, we have searched to develop a non-linear tomographic algorithm in order to process absorption spectra series in order to obtain spatial resolution. The main results obtained in simulations have led to an optimization of the tomographic algorithm in order to adapt its functioning to measurements configurations characteristics of combustion benches. The main measurements results have been acquired in a laboratory flame and in a solid propellant combustion bench.