Mesures physiques

Diagnostics optiques
Application à la combustion

La combustion est un processus physique représentant l’évolution irréversible d’un état initial d’un mélange vers un état final en dégageant de la chaleur par des réactions chimiques. Il intervient dans de nombreux types d’écoulements multiphasiques où il est couplé avec d’autres mécanismes physiques tels que la mécanique des fluides et la thermodynamique, rendant complexe l’analyse de ces écoulements.

La description de ces écoulements requiert des mesures quantitatives et reproductibles de grandeurs telles que la température, les concentrations d’espèces chimiques et la vitesse. Ces mesures doivent être instantanées (~ 10 ns) et résolues spatialement en regard à la turbulence omniprésente dans ces écoulements.

Les principaux axes de recherche menés actuellement par le département en métrologie laser sont multiples :

• Développer les diagnostics optiques en vue de caractériser les mécanismes physico-chimiques mis en jeu dans les chambres de combustion haute pression aéronautiques et fusées.
• Appliquer la métrologie laser à des actions de recherche à caractère plus amont en vue de promouvoir des nouveaux procédés de combustion.
  

Combustion multiphasique haute pression

Ce thème d’étude a pour but d’étudier la performance des systèmes propulsifs des lanceurs spatiaux et des foyers de combustion aéronautiques qui fonctionnent avec des combustibles liquides et dans des régimes de pression élevée (P=10 MPa par exemple pour la combustion cryogénique LOX/GH2).

La diffusion Raman anti-Stokes cohérente (DRASC) est appliquée dans des combustions LOX/GH₂ et LOX/CH₄ dans des conditions sub- et supercritique (P_O2>5.04 MPa) en vue de mesurer les champs de température nécessaire pour la mesure des rendements de combustion.

Comparaison d’un spectre instantané DRASC de H₂ enregistré à une pression de 6,5 MPa avec le spectre simulé présentant le meilleur accord

Les systèmes d’injection opérant dans les chambres de combustion haute pression kérosène/air (P<3 MPa) aéronautiques demandent à être optimisés en vue de leur capacité  d’évaporer rapidement le carburant liquide tout en mélangeant efficacement la vapeur de carburant avec l’air. Une métrologie consistant à doser précisément et simultanément, et de façon locale, la vapeur de kérosène produite en sortie du système d’injection (richesse locale) et le radical OH caractéristique de la zone de flamme a été conçue et validée.

L’idée originale de la mesure de vapeur de kérosène est basée sur la détection de la fluorescence des composés aromatiques présents naturellement dans le kérosène après excitation par un laser UV impulsionnel. Ces mesures ont été réalisées pour la première fois jusqu’à une pression de 2.2 MPa représentative des conditions réelles d’opérabilité du système d’injection multi-point développé par l’industriel SAFRAN. Ces mesures permettent de valider, à terme, les choix des nouveaux systèmes d’injection destinés à améliorer les processus de combustion et à réduire les émissions de polluants des futures chambres de combustion aéronautiques.

Image instantanée de la répartition de kérosène vapeur (à gauche) et du radical OH (à droite) en sortie d’un système d’injection multipoint SAFRAN (Température d’air : 590 K, pression: 0.95 MPa, Φpilot/Φmain=1).

Combustion assistée par plasma

L’utilisation de plasma permet de faciliter l’allumage et l’accélération des mécanismes réactionnels pilotant la combustion (voir le Coup de Zoom n°40 de L’Onera : Le plasma en renfort de la combustion pour plus de détails sur son fonctionnement).

Afin de mieux comprendre et d’optimiser les processus d’interaction entre le plasma et le milieu gazeux, le département cherche à étudier fondamentalement les effets de l’application d’une décharge impulsionnelle répétitive sur des écoulements gazeux méthane/air. On s’intéresse en particulier à analyser temporellement et spatialement les transformations rapides des processus chimiques et thermiques de l’écoulement gazeux qu’apporte le plasma.

Dans ce but, plusieurs diagnostics lasers sont mis en œuvre :

• la diffusion Raman anti-Stokes cohérente  (DRASC) est utilisé pour mesurer la distribution de température des molécules constituant le plasma hors-équilibre (températures rotationnelle et vibrationnelle) ainsi que les molécules issues de la décomposition chimique du fluide initial.
• la diffusion Thomson permet de mesurer la température des électrons libres produits par la décharge ainsi que leur densité.
• l’imagerie de fluorescence (PLIF) a été développée et appliquée pour doser les espèces transitoires (OH, CH, CH₂O, …) issues de la décomposition des fluides, espèces conditionnant la réactivité du milieu gazeux après application du plasma.
  

Ces diagnostics lasers ont été appliqués avec succès sur plusieurs régimes de décharges. En particulier, les résultats révèlent une production intense de radicaux (CH, OH, CH₂O, HCO, …) dès les premiers instants de la décharge. Ces mesures, comparées avec des simulations numériques prenant en compte un mécanisme de cinétique complexe CH₄/air, soulignent l’importance de ces radicaux sur les possibilité d’allumer le fluide avec des délais d’inflammation fortement réduits (plusieurs ordres de grandeurs).

Evolutions temporelles des températures de vibration et de rotation mesurées sur l’azote (DRASC) dans l’air (a) et un mélange CH₄/air de richesse 0.65 (b).

Distribution temporelle de OH dans une décharge
nanoseconde CH4/air par imagerie de fluorescence

Nouveaux carburants

Méthodes d’analyses expérimentales et de simulations des brouillards de gouttes multi-composant :

Dans le cadre d’un projet de recherche fédérateur (PFA), mené conjointement par l’Onera et le CNRS, le département s’applique au développement d’outils de mesure afin d’analyser les brouillards de gouttes produit par les systèmes d’injection aéronautiques. Il s'agit notamment de comprendre et modéliser les processus d'évaporation des brouillards de gouttes puis à confronter le résultat des simulations à la réalité dans des expériences aux conditions aux limites bien définies.

Le défi que représentent ces expériences tient également à la dimension multi-composant, comme par exemple le kérosène qui comporte plus de 1000 espèces différentes, et à la distribution en taille des gouttes dont les comportements diffèrent à l'évaporation. A titre d’exemple, une métrologie de mesure instantanée de richesse locale par PLIF sur des traceurs aromatiques a été mise au point et validée avec des mesures conjointement réalisées par LIF sur la phase liquide par le laboratoire LEMTA de Nancy dans le but final d’obtenir un bilan global des processus d’évaporation du spray.

La combustion de nouveaux propergols solides :

Une action de recherche est entreprise en coopération avec le département DEFA pour qualifier la combustion se développant au dessus de la surface de nouveaux matériaux énergétiques. La métrologie laser habituellement utilisée pour étudier la combustion monophasique (DRASC, PLIF, …) a été spécifiquement adaptée de manière à acquérir des signaux de mesures dans ces écoulements réactifs généralement pollués en fines particules. L’exploitation des mesures permet d’améliorer la compréhension du déroulement des mécanismes réactionnels chimiques déterminants dans la simulation de ce type de combustion.

Le dosage des hydrocarbures aromatiques polycycliques (PAH) :
 
Les PAH sont des Hydrocarbures Aromatiques Polycycliques connus pour leur forte toxicité et donc dangereux pour l’environnement. La mesure des propriétés spectroscopiques (absorption et fluorescence) des PAH est réalisée dans une cellule d’analyse haute pression, haute température. Ces mesures sont destinées à qualifier l’influence de ces espèces sur les mécanismes de formation des suies.