Fluorescence induite par laser multibande appliquée à la mesure de température dans les milieux complexes, Multiband Laser-induced Fluorescence applied to temperature measurement in complex media

Alain Delconte

Description

Sous la direction de Fabrice Lemoine
Thèse soutenue le 20 octobre 2009: INPL
La fluorescence induite par laser multibande est une technique non intrusive permettant d’accéder à la température de la phase liquide dans des milieux complexes. L’application de cette technique dans des liquides monophasiques où le chemin optique est variable (produit de la concentration moléculaire du traceur et de la distance dans le milieu liquide entre le volume de mesure et l’optique de détection) a été considérée. Le rapport des intensités de fluorescence collectées sur deux bandes spectrales permet de s’affranchir de la concentration en traceur fluorescent, de l’intensité laser incidente et du volume de mesure. Une troisième bande spectrale de détection permet de prendre en compte le terme de ré-absorption de la fluorescence dans le cas de chemins optiques non-négligeables et variables. Puis l’application de la technique à la mesure de la température de la phase liquide d’un spray est présentée. Un traitement spécifique du signal a été développé afin de tenir compte de la nature aléatoire du signal de fluorescence liée à la présence de gouttes dans le volume de mesure. De plus, ce traitement a été adapté afin de rendre possible le couplage des données de fluorescence avec des mesures granulométriques effectuées par la technique phase Doppler dans la perspective finale d’obtenir des températures de goutte par classe de taille. Cependant plusieurs phénomènes perturbateurs ont été mis en évidence : - une dépendance inattendue et non linéaire à la taille de goutte du rapport des intensités de fluorescence collectées sur deux bandes spectrales. - une forte diffusion de la lumière laser incidente par le nuage de gouttelettes induit une fluorescence bien au delà de la zone d’excitation laser. Cette fluorescence parasite est néanmoins détectée dans la profondeur de champ du dispositif optique et se conjugue avec l’effet non-linéaire de la taille des gouttes. Une stratégie de correction de ces différents phénomènes est proposée et une expérience de validation est réalisée sur un spray chauffé injecté dans une cellule saturée en vapeur
-Fluorescence induite par laser
-Sulforhodamine B
-Jet chaud
-Chemin optique
-Spray
-Goutte
-Phase Doppler
Multiband laser-induced fluorescence is a non-intrusive technique able to provide a measurement of the liquid phase of complex media. The application of this technique in single phase liquids, with a variable optical path (product of the fluorescent tracer molecular concentration by the distance between the probe volume and the collection optics in the liquid) was considered. The ratio of the fluorescence intensities collected on two spectral bands allows removing the influence of the fluorescence tracer concentration, incident laser intensity and probe volume. A third spectral band of detection is used to take into account the re-absorption of the fluorescence in the case of non negligible and variable optical paths. Then, the application of this technique to the measurement of the temperature of the liquid phase of a spray is presented. A specific data processing was developed in order to take into account the random presence of droplets in the probe volume. Moreover, the processing was adapted to achieve combined fluorescence and droplet size measurements using the phase Doppler technique. The overall foreseen goal is to measure temperature per droplet size class. However, several disturbing phenomena were highlighted: - an unexpected non-linear dependence on the droplet size of the ratio of the fluorescence intensities collected on two spectral bands, - a strong incident laser light scattering by the droplets cloud, which induces a fluorescence beyond the excitation zone. This fluorescence is also collected in the depth of field of the optical device and combines with the non-linear size dependence. A correction strategy of these phenomena was implemented and a validation experiment on a heated spray injected in a vapour-saturated cell was performed
-Laser-induced fluorescence
-Spray
-Droplet
-Optical path
-Sulforhodamine B
-Heated jet
-Phase Doppler
Source: http://www.theses.fr/2009INPL062N/document

Sujets

• Fluorescence induite par laser
• Chemin optique

Informations

• Publié par: Thesee
• Nombre de lectures: 92
• Langue: Français
• Poids de l'ouvrage: 6 Mo

Extrait

AVERTISSEMENT



Ce document est le fruit d’un long travail approuvé par le jury de
soutenance et mis à disposition de l’ensemble de la communauté
universitaire élargie.
Il est soumis à la propriété intellectuelle de l’auteur au même titre que sa
version papier. Ceci implique une obligation de citation et de
référencement lors de l’utilisation de ce document.
D’autre part, toute contrefaçon, plagiat, reproduction illicite entraîne une
poursuite pénale.

Contact SCD INPL: mailto:[e-mail]




LIENS




Code de la propriété intellectuelle. Articles L 122.4 e la propriété intellectuelle. Articles L 335.2 – L 335.10
http://www.cfcopies.com/V2/leg/leg_droi.php
http://www.culture.gouv.fr/culture/infos-pratiques/droits/protection.htm






Ecole doctorale : Energétique Mécanique Matériaux



THESE

Présentée pour l’obtention du grade de

Docteur de l’Institut National Polytechnique de Lorraine

Spécialité : Mécanique et Energétique
Par
Alain DELCONTE

Fluorescence induite par laser multibande appliquée à la
mesure de température dans les milieux complexes

Soutenue publiquement le 20 octobre 2009 devant la commission d’examen composée de :


Rapporteurs: M. Claude Rozé Professeur à l’université de Rouen
M. Frédéric Grisch Maître de recherche, HDR, ONERA, Palaiseau.
Examinateur: M. Pascal Lavieille Maître de conférence, Université Paul Sabatier, Toulouse
M. Gérard Lavergne Professeur, ISAE, Toulouse.
M. Fabrice Lemoine Professeur, INPL, Nancy.
M. Alexandre Labergue Maître de conférence, INPL, Nancy
M. Damien Blondel Ingénieur, Dantec-Dynamics, Copenhague
M. Gérard Gréhan Directeur de recherche, CNRS, Rouen.


Laboratoire d’Energétique et de Mécanique Théorique et Appliquée
Nancy-Université, CNRS UMR 7563
2, avenue de la Forêt de Haye BP 160
54504 Vandoeuvre-Les-Nancy


Remerciements :


J’adresse mes remerciements aux directeurs successifs du laboratoire, Mr Christian
Moyne et Mr Fabrice Lemoine, ainsi que l’ensemble des équipes de recherche qui m’ont
permis de mener à bien ce travail de thèse dans le cadre de mon activité professionnelle
d’ingénieur d’étude CNRS affecté au LEMTA.

Je remercie tout particulièrement Fabrice Lemoine, qui dirige l’équipe de recherche et qui a
parfaitement orienté les travaux menés sur la mesure de température par fluorescence induite
par laser. Son anticipation des phénomènes, liés aux mécanismes physiques de la
fluorescence, nous a permis notamment d’envisager les diverses expériences présentées au
chapitre 4 et de comprendre les phénomènes mis en jeu ainsi que l’élaboration d’un modèle
physique, permettant d’appréhender la mesure de température par fluorescence dans les
milieux diphasiques tels que les sprays. Je le remercie également pour son aide précieuse dans
la rédaction de ce mémoire, particulièrement pour le chapitre 2 qui reprend la théorie et les
applications de la technique LIF multibande.

Je tient également à exprimer toute ma gratitude à Mr Pascal Lavieille pour les travaux que
nous avons menés ensemble sur la méthode LIF à 2 couleurs, appliquée à la mesure de
température dans les milieux monophasiques en tenant compte des grands chemins optiques,
qui est décrite dans ce manuel au chapitre 3.

Je remercie également la société DANTEC Dynamics pour la mise à disposition et adaptation
du BSA Processeur Driver qui m’a permis de développer un algorithme de réglage des
optiques de collection des sondes LIF et PDA donnant accès à nos premières mesures
couplées entre les techniques LIF et Phases Doppler, ouvrant ainsi la perspective d’obtenir
des histogrammes de température par classe de taille de gouttes dans un spray.

Mes remerciements s’adressent également à Alexandre Labergue qui est un partenaire
privilégié en salle d’expérimentation et avec qui j’ai réalisé de nombreuses expériences
décrites dans ce mémoire.

Enfin, il me reste à remercier:

Mr Michel Wolf pour sa relecture et ses corrections.

Mr Didier Vignali, pour son aide précieuse dans la mise en forme de ce mémoire ainsi
que ses encouragements réguliers du jeudi lorsque j’étais dans ma phase de rédaction.

Mon amie Laurence Nicolas, qui m’a aidé dans la préparation de la soutenance.

Tous les membres du jury, qui ont réalisé une lecture attentive de mon mémoire et
m’ont élevé au grade de Docteur.

Je dédie ce mémoire à mes 3 enfants ,mes parents, mes frère et sœur, ma tante Françoise et
son mari Jean Paul.









Confronté à la roche, le ruisseau l'emporte toujours, non par la force mais par la
persévérance.
H. Jackson Brown (Ecrivain américain)





Un expert est une personne qui a fait toutes les erreurs qui peuvent être faites dans un
domaine très étroit.
Niels Bohr (1885-1962)







Il y a deux façons de concevoir sa vie. Une est de penser que les miracles n'existent pas et
l'autre de penser que chaque chose est un miracle.

La théorie, c'est quand on sait tout et que rien ne fonctionne. La pratique, c'est quand tout
fonctionne et que personne ne sait pourquoi. Ici, nous avons réuni théorie et pratique : Rien
ne fonctionne... et personne ne sait pourquoi !
Albert Einstein (1879-1955)

Sommaire
Nomenclature 1 
Introduction Générale 3 
Chapitre 1 7 
Etude bibliographique: les techniques de mesure non
intrusives de la température dans les milieux liquides 
1.1  Introduction................................................................................................................ 7 
1.2  Spectroscopie Raman spontanée............................................................................... 7 
1.3  Thermométrie par réfractométrie d’arc-en-ciel ..................................................... 9 
1.3.1  Réfractométrie d’arc-en-ciel standard (SRT).............................................................. 9 
1.3.2  Thermométrie d’arc-en-ciel global (GRT)................................................................. 11 
1.4  Techniques fondées sur la fluorescence induite par laser .................................... 13 
1.4.1  Techniques à un seul colorant.................................................................................... 14 
1.4.1.1  Introduction 14 
1.4.1.2  Mesures de concentration........................................................................................... 15 
1.4.1.3  Mesures de température ............................................................................................. 15 
1.4.1.4  Conclusions sur la technique à un colorant................................................................ 17 
1.4.2  Technique à deux colorants fluorescents ................................................................... 17 
1.4.3  Technique à un seul colorant et deux couleurs .......................................................... 21 
1.5  Techniques fondées sur la fluorescence exciplex................................................... 23 
1.6  Autres techniques..................................................................................................... 26 
1.6.1  Techniques fondées sur la phosphorescence.............................................................. 26 
1.6.1.1  Introduction................................................................................................................ 26 
1.6.1.2  Principes de la mesure................................................................................................ 26 
1.6.2  Technique basée sur les résonances morphologiques (cas d’un goutte).................... 27
1.6.3 Comparaison des différentes techniques ( tableau récapitulatif)……………………29
Chapitre 2 33 
La technique de fluorescence induite par laser (LIF)  
2.1