Etude de la faisabilité d'un système micro-LIDAR courte portée pour l'analyse d'agrégats de suies issus de foyers aéronautiques

par Lucas Paulien

Projet de thèse en Énergétique

Sous la direction de Anouar Soufiani et de Laurent Soucasse.

Thèses en préparation à université Paris-Saclay , dans le cadre de École doctorale Sciences Mécaniques et Energétiques, Matériaux et Géosciences , en partenariat avec EM2C - Energétique Moléculaire et Macroscopique, Combustion (laboratoire) et de CentraleSupélec (référent) depuis le 01-11-2018 .


  • Résumé

    La caractérisation des particules issues de combustion est un enjeu scientifique majeur. Leur impact sur la santé ou le changement climatique est aujourd'hui mal maîtrisé voire sous-estimé. La complexité du problème tient en partie au fait que les particules fines sont généralement de morphologies complexes (non-sphériques), constituées de particules primaires nanométriques qui s'agrègent et éventuellement coalescent les unes aux autres au cours du processus de leur élaboration. En raison de leur forte efficacité à diffuser ou à absorber la lumière, les systèmes LIDAR sont préconisés pour le diagnostic à distance de particules ultrafines PM2.5 (particules de taille inférieure à 2.5 µm) comme les suies ou les aérosols carbonés [1] [2]. Les limitations actuelles des systèmes LIDAR pour le diagnostic à distance des particules carbonées sont nombreuses comme la connaissance a priori de nombreux paramètres microphysiques (ex. indice optique complexe ou distribution en taille) ou l'utilisation d'hypothèses simplificatrices (ex. sphéricité des particules). L'impact de la morphologie des agrégats de suie sur leurs propriétés radiatives, notamment dans le domaine des LIDAR, demeure un problème scientifique majeur. De récents travaux réalisés au Laboratoire EM2C (UPR 288 CNRS, CentraleSupélec) ont permis, par reconstruction tomographique d'images de microscopie électronique à haute résolution en rétrodiffusion, de décrire la morphologie d'agrégats de suie de combustion propane / air avec une résolution spatiale inférieure à la taille des particules primaires [3] [4]. Ensuite, les propriétés d'interaction des agrégats avec le rayonnement ont été déterminées par modélisation au moyen d'un code interne basé sur la théorie de l'approximation des dipôles discrets (Discrete Dipole Approximation, ou DDA, en anglais). L'objectif général de ces travaux de thèse est de contribuer à la conception et l'évaluation d'un nouveau système µLIDAR courte-portée dédié à l'analyse des propriétés des agrégats fractals de suie. Il s'agira d'exploiter la complémentarité des différents signaux issus du µLIDAR. L'ONERA développe un µLIDAR courte-portée dans le cadre du projet PROMETE dont l'objectif est de développer une métrologie de terrain dédiée à la caractérisation des effluents particulaires issus d'un aéronef. Les signaux issus de cet instrument seront le point d'entrée des nouvelles méthodes d'analyse développées dans cette thèse. Pour cela, le/la doctorant/e développera un modèle de diffusion spectro-polarimétrique afin de prendre en compte des géométries réalistes d'agrégats de suie (ex. issues de microscopie électronique). Une étude de sensibilité sera conduite basée sur ce modèle pour déterminer la faisabilité des mesures µLIDAR en fonction des différents paramètres des agrégats comme la/les dimension(s) fractale(s), le taux d'interpénétration ou le necking. De nouvelles méthodes seront ensuite développées sur la base du couplage spectro-polarimétrique des signaux issus du µLIDAR dans l'objectif d'identifier les paramètres des agrégats de suie (ex. dimension fractale, rayon de gyration). En fin de thèse, plusieurs campagnes d'essais seront menées à partir de foyers aéronautiques pour démontrer l'applicabilité des méthodes développées. [1] R. Ceolato, “Data fusion system for hyperspectral, polarimetric, and angular scattering. Application to optical diagnostic of dense media”, Thèse de Doctorat, ISAE Toulouse, 2013. [2] R. Ceolato, “Lidar cross-sections of soot fractal aggregates: Assessment of an equivalent-sphere model”, soumis à J. Quant. Spectrosc. Radiat. Transfer, 2017. [3] G. Okyay, E. Héripré, T. Reiss, P. Haghi-Ashtiani, T. Auger, F. Enguehard, “Soot aggregate complex morphology: 3D geometry reconstruction by SEM tomography applied on soot issued from propane combustion”, J. Aerosol Sci., 93, 2016. [4] G. Okyay, “Impact of the morphology of soot aggregates on their radiative properties and the subsequent radiative heat transfer through sooty gaseous mixtures”, Thèse de Doctorat, CentraleSupélec, 2016. - ---------- -

  • Titre traduit

    Study of the feasability of a short range micro-LIDAR system for the analysis of soot aggregates issued from aircraft combustion chambers


  • Résumé

    Characterization of particles issued from combustions is nowadays a major scientific issue. Their impact on health or climate change is still not well mastered and could be under-estimated. The complexity of the problem is partly related to the fact that fine particles have generally complex morphologies, far from spherical, made of nanometer-size primary particles that aggregate and possibly coalesce together during the process of their formation. The absorption and scattering efficiencies of these particles in the visible and infrared domains being high, LIDAR systems are seriously envisaged for remote diagnostics of ultrafine PM2.5 particles (i.e. particles of size lower than 2.5 µm) like soot particles or carbonaceous aerosols [1] [2]. But several limitations of LIDAR systems for remote diagnostics of carbonaceous particles still exist, such as the a priori knowledge of numerous microphysical parameters (e.g. complex optical index or size distribution) or the use of simplifying assumptions (e.g. concerning the shape of the particles, generally assumed to be spherical). The impact of the morphology of soot aggregates on their radiative properties, particularly in the spectral domain of application of LIDAR, remains a major scientific problem. Recent works conducted at EM2C Laboratory (UPR 288 CNRS, CentraleSupélec) have allowed to describe the morphology of propane / air soot aggregates with a spatial resolution lower than the size of the primary particles by tomographic reconstruction of high resolution Scanning Electron Microscopy (SEM) backscattering images [3] [4]. The properties characterizing the interaction between these aggregates and radiation have then been calculated with the help of an in-house numerical tool based on the theory of the Discrete Dipole Approximation (DDA). The general objective of this PhD work is to contribute to the conception and evaluation of a new short range µLIDAR system dedicated to the analysis of the properties of soot fractal aggregates, by making full use of the different signals provided by the µLIDAR. In the frame of the PROMETE project, ONERA is currently developing a short range µLIDAR aimed at characterizing particulate effluents issued from aircraft combustion chambers. The signals produced by this equipment will be the starting point of new analysis methods developed in this PhD work. To that end, the PhD student will develop a spectral and polarimetric scattering model in order to take into account realistic soot aggregate morphologies (e.g. issued from SEM studies). A sensitivity study based on this model will be conducted in order to evaluate the feasibility of µLIDAR measurements as a function of several morphological parameters characterizing the aggregates such as their fractal dimension(s), the primary particle overlapping fraction or the necking. New methods will then be developed on the basis of the spectral and polarimetric coupling of the signals issued from the µLIDAR with the objective to identify parameters characteristic of the soot aggregates (e.g. fractal dimension or gyration radius). At the end of the PhD work, several experiment campaigns will be conducted over aircraft burners in order to demonstrate the applicability of the proposed methods. [1] R. Ceolato, “Data fusion system for hyperspectral, polarimetric, and angular scattering. Application to optical diagnostic of dense media”, PhD Thesis, ISAE Toulouse, 2013. [2] R. Ceolato, “Lidar cross-sections of soot fractal aggregates: Assessment of an equivalent-sphere model”, submitted to J. Quant. Spectrosc. Radiat. Transfer, 2017. [3] G. Okyay, E. Héripré, T. Reiss, P. Haghi-Ashtiani, T. Auger, F. Enguehard, “Soot aggregate complex morphology: 3D geometry reconstruction by SEM tomography applied on soot issued from propane combustion”, J. Aerosol Sci., 93, 2016. [4] G. Okyay, “Impact of the morphology of soot aggregates on their radiative properties and the subsequent radiative heat transfer through sooty gaseous mixtures”, PhD Thesis, CentraleSupélec, 2016.