UE OUTILS DE MESURE ET D’ANALYSE - 56 heures
Métrologie Combustion (16h)
Métrologie Diphasique (20h) (blaisot #1)
Méthodes numériques appliquées (20h)
Métrologie combustion (16 h)
Armelle Cessou (pdf - slides) et Bertrand Lecordier (CNRS)
Depuis le milieu des années 1970, le développement des lasers est devenu un élément déterminant dans les moyen de mesure en combustion, pour accéder à des grandeurs physiques aussi variées que la vitesse, la température, la concentration, ou la taille de particules,… Le développement des diagnostics lasers a connu un essors considérable en mécanique des fluides et en particulier en combustion pour plusieurs raisons, d'une part les températures élevées et la présence d'espèces fortement réactives font des flammes un milieu hostile pour les sondes, et d'autre part les flammes sont facilement perturbées par l'introduction de sondes (perturbation de l'écoulement, effets thermiques et catalytiques). Les diagnostics lasers ont ainsi offert de nouvelles méthodes de mesures, mieux adaptées aux très petites échelles caractéristiques des flammes, spatiales (la centaine de micromètre) ou temporelles (la microseconde). Les diagnostics lasers permettent maintenant l’analyse chimique des flammes et aussi l’étude des interactions de la combustion avec un écoulement turbulent. La spécificité de leur mise en œuvre en combustion turbulente est la nécessité de réaliser des mesures instantanées, avec un échantillonnage important (grand nombre de mesures), bidimensionnelles, ou mieux tridimensionnelles, permettre l’accès aux gradients des quantités mesurées, point essentiel pour analyser les interactions entre la flamme et la turbulence.
L’objectif de ce cours est de présenter les principes de base de quelques techniques de mesures lasers et de sensibiliser aux potentiels de ces méthodes mais aussi à leurs limites. Il présente le principe de quelques-unes des méthodes les plus utilisées dans les laboratoires de recherche ou les départements de R&D d’entreprises. L’accent sera mis d’une part sur les méthodes de caractérisation de l’écoulement turbulent : Anémométrie Doppler Laser (ADL), Vélocimétrie par Images de Particules (PIV)…, et d’autre part sur les méthodes spectroscopiques de mesure de la concentration ou de la température (diffusion Rayleigh, diffusion Raman spontanée, Fluorescence Induite par Laser (LIF)…). Le cours s’appuiera sur des exemples montrant le potentiel des diagnostics lasers pour la compréhension des processus fondamentaux de combustion, et la possibilité de mise en œuvre pour de nombreux domaines d’application (automobile, aéronautique, aérospatiale, combustion industrielle, …). Le matériel nécessaire aux différentes mesures sera également présenté.
- Anémométrie Doppler Laser
Principe
- Vélocimétrie par Image de Particules
Principe
Méthodes avancées
Précision de la mesure
- Diffusion Rayleigh
Principe
- Diffusion Raman spontanée
Principe
Mesure de concentration
Mesure de température
- Fluorescence induite par laser
Principe
Schéma à deux niveaux
Mesure en régime stationnaire linéaire
Désexcitation collisionnelle
Mesure de concentration
Mesure de température
Fluorescence prédissociée (principe)
- Le matériel
Sources
Détecteurs
- Principe des mesures par imagerie
- Association de diagnostics
Métrologie diphasique (20 h) (blaisot #1)
J.B. Blaisot (MCF Univ de Rouen) et F. Ren (Prof. Univ de Rouen)
L’optimisation de la consommation d’énergie dans les moteurs d’automobile ou aéronautiques nécessite de bien connaître la suite des processus qui mène à la combustion : atomisation du liquide, forme du spray, concentration en gouttes, vitesse des gouttes, évaporation, etc. La métrologie optique a l’avantage d’être non-intrusive, rapide et de pouvoir être adaptée à des milieux difficiles (haute température, haute pression, ...). Elle est bien adaptée à l’analyse de ces différents processus pour améliorer l’efficacité de processus.
D’une part, les sprays générés sont présents sous forme de gouttes et dans de nombreuses applications domestiques et industriels on trouve de particules (poudres pharmaceutiques, sprays de parfum, brouillards de climatisation, penture, injection d’automobile, suies issues d’une flamme ou d’un moteur …). L’efficacité de tous ces produits dépendent des propriétés des particules générées. La caractérisation de celles-ci permet d’améliorer les procédés liées et d’étudier des effets/impacts sanitaires.
D’autre part, lors qu’on se rapproche de la sortie de l’injecteur, la forme du jet liquide est très complexe : présence de ligaments liquide, gouttes non sphériques, cœur liquide épluché par le gaz, très haute densité, etc.
Afin de pouvoir caractériser le processus d’atomisation dans son ensemble on doit se doter d'outils permettant d'analyser tous les constituants de ce type d'écoulement, qu'ils soient sous forme de particules individuelles dispersées ou d'une phase liquide continue rattachée à un orifice d'injection. Ce module se décompose en 2 parties :
1. « Métrologie de particules » assurée par K. F. Ren
2. « Métrologie d’interface » assurée par JB Blaisot
Métrologie de particules
1. Généralité – notions de base :
- Indice de réfraction complexe, états de polarisation, diagramme de diffusion, sections d’extinction et de diffusion, forme du faisceau laser
2. Théories de diffusion de la lumière
- Théories approchées (Optique géométrique, Rayleigh-Gans, diffraction, … )
- Théories rigoureuses (Lorenz-Mie, TLMG, … )
3. Techniques de mesure
- ADL, PDA (vitesse, taille …)
- Réfractomètre / arc-en-ciel (taille, température …)
- Imagerie (taille, vitesse …)
- Turbidimétries (distribution en taille)
4. Thèmes de recherche en cours au laboratoire
- Extension de l’optique géométrique à des objets irréguliers, Diffusion d’une impulsion ultra brève, Turbitimétrie des particules de formes complexes, Imagerie d’un jet complexe, …
Métrologie d'interface
1. Acquisition et numérisation des images: Capteur, discrétisation, numérisation, dynamique et profondeur de numérisation…
2. Modélisation de l'imagerie: modèle de réponse impulsionnelle, profils théoriques d'image, application aux images 1D (jets) ou 2D (gouttes)
3. Métrologie des interfaces gaz-liquide: segmentation des images, suivi de contour, contour sub-pixel…
4. Granulométrie par imagerie: Un exemple de thème de recherche en cours du laboratoire
5. Analyse morphologique des interface gaz-liquide: Outils d'analyse morphologique, morphologie des jets liquides, morphologie des gouttes.
Méthodes numériques appliquées (20 h)
Abdellah Hadjadj (Prof. INSA de Rouen)
Le cours est centré autour des problèmes de la modélisation physique des écoulements en fluides complexes (turbulence et écoulements industriels), des solveurs numériques, et des techniques d'optimisation et de contrôle d’écoulements. Le but principal est d'acquérir les connaissances de base en mécanique des fluides numérique nécessaires à la compréhension et à la conception des méthodes modernes de calcul pour les écoulements complexes.
Ce cours concerne la modélisation mathématique, la simulation numérique, le calcul intensif et de la visualisation scientifique en mécanique des fluides. Les différentes parties abordées sont les suivantes :
- Equations aux dérivées partielles (équations de Laplace, de la chaleur et des cordes vibrantes comme exemple d'équations du second ordre linéaires, l'équation de Burgers comme modèle d'équation du premier ordre non-linéaire, et enfin les équations de Navier-Stokes du second ordre et non-linéaires).
- Technique de discrétisation (différences finies et volumes finis).
- Méthodes numériques (schéma explicite/implicite, méthodes A.D.I. et accélération de convergence).
- Méthodes de résolution numérique en mécanique des fluides (traitement des termes de convection/diffusif et termes sources raides, conditions aux limites de non-réflexion).
- Génération et optimisation de maillages.
- Aspects pratiques (calcul multi-tâches, mise en oeuvre sur ordinateur, vectorisation et parallélisation), traitement numérique et visualisation graphique des résultats.
- Applications à la turbulence et aux écoulements internes et externes. Des transitions sont faites pour raccorder ces méthodes aux problèmes de la combustion, des plasmas ou des interfaces.
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