Caractérisation des transferts de chaleur et de masse dans les sprays par fluorescence induite par laser grâce à des approches basées sur la durée de vie de la fluorescence et l'excitation à deux photons

Fluorescence Diagnostics for Characterizing Heat and Mass Transfers in Sprays Based on Fluorescence Lifetime and Two-Photon Excitation

• Auteur / Autrice : Minghao Wang
• Direction : Guillaume Castanet, Fabrice Lemoine
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Énergie et mécanique
• Date : Soutenance le 08/12/2023
• Etablissement(s) : Université de Lorraine
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale SIMPPé - Sciences et ingénierie des molécules, des produits, des procédés, et de l'énergie (Lorraine ; 2018-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Energies et Mécanique Théorique et Appliquée
• Jury : Président / Présidente : Claude Rozé
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Guillaume Castanet, Fabrice Lemoine, Frédéric Grisch, Mehdi Stiti, Florine Giraud
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Claude Rozé, Frédéric Grisch

Mots clés

Mots clés contrôlés

Détecteurs de photons

Photonique

Fluorescence induite par laser

Transfert de masse

Transfert de chaleur

Aérosols

Mots clés libres

Transferts de chaleur et de masse

Fluorescence induite par laser

Sprays

Absorption biphotonique

TCSPC

Heat and mass transfer

Laser-Induced fluorescence

Sprays

Two-Photon absorption

TCSPC

Résumé

Les transferts de chaleur et de masse jouent un rôle important dans de nombreuses applications des sprays (moteur à combustion interne, refroidissement par spray, etc.). Comprendre les phénomènes de transferts qui se produisent dans les gouttes est essentiel pour optimiser ces applications. Cependant, les études expérimentales se heurtent à de nombreuses difficultés. En particulier, mesurer la température et la composition des gouttes constitue un véritable défi. Cette thèse présente une nouvelle méthode de mesure basée sur la durée de vie de la fluorescence. Elle met en œuvre la technique de comptage de photon unique corrélé en temps (TCSPC) et un laser femtoseconde délivrant des impulsions ultracourtes avec une grande fréquence de répétition. Dans une première étude, la durée de vie de la fluorescence de colorants sensibles à la température, comme la rhodamine B, est utilisée pour mesurer la température de gouttelettes d’eau dans des sprays préchauffés. Une excitation à deux photons de la fluorescence permet de limiter les effets de la diffusion multiple par les gouttes. Un rapport signal sur bruit élevé permet de garantir une précision de mesure de l'ordre de ±1°C dans la plupart des cas. La technique de mesure a de nombreux avantages par rapport aux techniques basées sur l'intensité de la fluorescence. Toutefois, des précautions doivent être prises pour éviter l’effet pile-up qui se manifeste lorsque plusieurs photons de fluorescence parviennent au photodétecteur dans l’intervalle de temps qui sépare deux impulsions laser. La méthode a ensuite été utilisé pour étudier le mélange de deux sprays injectés à des températures différentes. L’analyse du déclin de la fluorescence dans le domaine temporel permet de déterminer en même temps la fraction de mélange et la température de chaque spray. Finalement, la thèse aborde la mesure de la composition de gouttes bicomposantes. Il s’agit d’une tâche complexe, car la durée de vie et l'intensité de la fluorescence peuvent dépendre à la fois de la température et de la composition chimique. L’éosine Y a été sélectionnée car sa durée de vie peut mesurer la fraction volumique dans des mélanges binaires où les deux composants ont des polarités différentes. De plus, cette mesure reste valable en cas de variation de la température. L'approche a été testée sur des gouttes en évaporation dans un lévitateur acoustique. Un bon accord est obtenu avec un modèle qui prend en compte différents facteurs tels que l'effet du champ acoustique et l'humidité ambiante, la non-idéalité du mélange.

Heat and mass transfer play an important role in many spray applications (internal combustion engines, spray cooling, spray drying, etc.). Understanding heat and mass transfer phenomena inside the droplets is essential for optimizing these applications. However, experimental studies are faced with many difficulties. One of the most challenging is measuring droplet temperature and composition. This thesis presents a new measurement technique based on the fluorescence lifetime. Its implementation relies on the Time Correlated Single Photon Counting (TCSPC) technique and makes use of a femtosecond laser delivering ultrashort laser pulses at a high repetition rate. In a first study, the fluorescence lifetime of certain temperature-sensitive dyes, such as rhodamine B, is used to measure the temperature of water droplets in preheated sprays. Two-photon excitation of the fluorescence is used to mitigate the effects of multiple light scattering by the droplets. Thanks to a relatively high signal-to-noise ratio, the technique makes it possible to achieve a measurement accuracy of the order of ±1°C in most cases. The novel measurement technique has several advantages over intensity-based measurement techniques. However, special care must be taken to avoid the pile-up effect that occurs when several fluorescence photons reach the photodetector in the time interval between two laser pulses. The method was then extended to study the mixing of two sprays injected at different temperatures. The characterization of the fluorescence decay in the time domain makes it possible to measure simultaneously the mixing fraction and temperature of each spray. Finally, the thesis addresses the characterization of the chemical composition of evaporating two-component droplets. This is a complex task, as fluorescence lifetime and intensity can be dependent on both temperature and chemical composition. Eosin Y was selected for its lifetime that provides a measurement of the volume fraction in binary mixtures, where the mixed solvents have different polarities. The measurement method remains valid even in the presence of significant temperature variations inside the mixture. The method is applied on evaporating droplets in an acoustic levitator. A good agreement is obtained when measurements are compared with a theoretical model taking into account various factors such as the convective effect of the acoustic streaming, the air humidity, and the non-ideality of the mixture.