Imagerie ultra-rapide pour les sprays et les jets liquides

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1 Imagerie ultra-rapide pour les sprays et les jets liquides Claude Rozé, Saïd Idlahcen, David Sedarsky, Jean-Bernard Blaisot CORIA-UMR 6614, CNRS, Université et INSA de Rouen JPU 2011

2 Motivation Sources laser à impulsions ultra-courtes : quel diagnostic optique pour les écoulements diphasiques? L atomisation d un jet de carburant liquide : un phénomène clé dans le processus de combustion Quelle géométrie d injecteur pour quelle granulométrie? Injecteur Diesel Bosch

3 Les enjeux Diamètre du trou de l injecteur : 100 à 200 µm La phase d atomisation primaire se déroule dans les 5 mm après la sortie de l injecteur. Les pressions d injection de 400 à 1000 bars vitesses ~300 m/s Densité de liquide : jet instable spray 200 µm Image par rayons X du nez de l injecteur Informations recherchées : forme, prédiction de la distribution en taille des gouttelettes, mesure de la fraction volumique locale de liquide, vitesse de l écoulement, etc.

4 Ombroscopie Une impulsion ultra-courte permet de figer parfaitement le mouvement Laser pulse (Coherent Libra): Duration: 120 fs Energy: 2 mj Wavelength: 800 nm Montage d ombroscopie Utilisation d un microscope à longue distance Focused spray edge Out of focus ligaments Out of focus droplets Focused droplets Focused ligaments

5 La mesure de vitesse Amplifier Libra II Compressor Double exposure frame-transfer CCD camera (PCO LaVision) Libra I Oscillator Stretcher Amplifier Compressor Dual regenerative amplifiers (Coherent Libra), seeded by a single mode-locked Ti:Sapphire oscillator (Vitesse). A B Adjustable intra-pulse timing A from ns to 500 µs, with 12.5 ms step Adjustable inter-pulse timing B from 1 ms to 1 s, with 1 ms step

6 Exemple de mesure de vitesse Injecteur à trou unique Diamètre = 113 μm Pression d injection : 600 bar Temps inter-image = 256 ns Liquide : Normafluid

7 Etude statistique La couleur de chaque petit carré représente la vitesse moyenne des structures liquide qui y passent (20 mini). Le mode d atomisation dépend de la vitesse? m/s

8 Interaction lumière/matière avec un milieu dense Milieu dense Balistiques La lumière multidiffusée perd la signature du milieu traversé Diffusés Réfractés La lumière peu (ou pas) diffusée peut être sélectionnée par : Cohérence Sélection spatiale Polarisation Sélection temporelle Imagerie balistique : Galland et al. (1995) Proc. Am. Soc. Mech. Eng. HTD-321: Linne et al (2006) Exp. Fluids. 40:

9 Montage pompe/sonde Première phase : mesurer l étirement d une impulsion ultra-courte au passage d un milieu diffusant dense. 100 fs, 800 nm, 1 mj Génération de second harmonique (SHG) ND BS pompe Cristal BBO PM sonde cellule d essai ligne à retard f f angle solide de collection 0. 1

10 Etude d un milieu dense Solution contenant des billes de verre Longueur de la cuve : L = 5 mm Epaisseur optique : Diamètre particules : d = 1 µm Angle de collection : =0.07 Comparaison avec calcul de Monte Carlo. Photons balistiques Photons diffusés diffusion multiple Trajet supplémentaire Retard 1 temporel C. Calba et al, JOSA 2008

11 Imagerie par SHG Est il possible de faire de l imagerie résolue en temps avec la SHG dans un cristal BBO? 800 µj, 800 nm 1 khz M1 PC P0 Pump pulse M3 M2 NDs Delay line Synchro. Injector L1 BBO crystal /2 ND M5 M4 Résolution temporelle : ~270 fs Mire de test USAF (1951) Spectral filter CCD camera Résolution spatiale de l image : 10 µm

12 Imagerie balistique en proche sortie d injecteur Images of the liquid jet near the nozzle for two different delays between image and pump pulses 200 µm ballistic photons refracted photons Imaging pulse pump pulse refracted light pump pulse in the BBO crystal delay 1 delay 2 refracted light imaging pulse delay 1 - delay 2 = 380 fs ~ 230 µm

13 Interaction spatio-temporelle entre deux impulsions x caméra 400 nm x 800 nm Impulsion pompe 800 nm A Impulsion Impulsion image image allongée n BBO Air

14 Interaction spatio-temporelle entre deux impulsions caméra x 800 nm 800 nm Impulsion pompe Impulsion pompe 800 nm Impulsion pompe Impulsion Impulsion image imageur A Impulsion imageur 800 nm BBO Air

15 Diagrammes spatio-temporels Diagramme spatio-temporel (fibre de 240 µm) Diagramme spatio-temporel (spray à 5 mm de la buse) Eclairer plus fort et utilisation d une fente pour éliminer les bords Possibilité de mesurer un décalage temporel (à interpréter ) Δt S. Idlahcen et al, to be published in Exp. Fluids

16 Mesure de vitesse Sans porte optique : 150 ns Avec porte optique : 160 ns Déplacement mesurable Ces images ne permettent pas de détecter un quelconque déplacement de structure lumineuse Possibilité de mesurer une vitesse (à interpréter )

17 Bilan pour la porte SHG Aspects positifs : Aspect négatif : Résolution temporelle de ~300 fs Mesure d une vitesse possible dans le cœur du jet Information corrélée entre le temps et l espace : étude nécessairement statistique imagerie single shot? Autre méthode : l effet Kerr optique

18 Porte optique à effet Kerr : le principe 1. Sans faisceau pompe, le système ne laisse pas passer la lumière image pulse crossed polarizers detector no light linear polarization CS 2 cell 2. Un faisceau pompe impulsionnel permet d induire une biréfringence temporaire dans le CS 2. Le système laisse alors passer partiellement la lumière. elliptical polarization image pulse linear polarization detector light linear polarization CS 2 cell

19 Porte optique à effet Kerr : le montage simple Une résolution temporelle de ~1 ps Mire de test USAF (1951) Une résolution spatiale de 16 μm

20 Porte optique à effet Kerr : le montage simple Diffusion de la pompe vers la caméra : la cellule de CS 2 ne peut être que dans un plan de Fourier coupure de fréquences spatiales dégradation de la résolution spatiale plan de Fourier

21 Porte à effet Kerr à deux couleurs doublage de fréquence de l impulsion image (400 nm) filtrage spectral Utilisation de longueurs d onde différentes pour la pompe et l image Vitesses de propagation différentes des deux longueurs d onde dans le CS 2 Longueur de cellule 1 cm 1 mm Perte d efficacité plan image filtrage spectral S. Idlahcen et al, JOSA 2009

22 Porte à effet Kerr à deux couleurs doublage de fréquence de l impulsion image (400 nm) filtrage spectral plan image Résolution temporelle : ~1.2 ps filtrage spectral Résolution spatiale : ~8 µm S. Idlahcen et al, JOSA 2009

23 Porte à effet Kerr à deux couleurs doublage de fréquence de l impulsion image (400 nm) Durée d ouverture de la porte trop longue filtrage spectral plan image filtrage spectral S. Idlahcen et al, JOSA 2009

24 Porte optique à effet Kerr ajustable 3.7 mj, 800 nm 1 khz 30/70 pompe /2 ligne à retard II ligne à retard I P pompe I imageur ligne à retard BBO BPF1 NDs /2 ND Synchro. /2 ND injecteur P1 L1 CS 2 cell pompe II La porte 1 est fermée, sauf lorsque la pompe active la cellule de CS2 P2 /4 L2 CS 2 cell L3 P3 La porte 2 est ouverte, sauf lorsque la pompe active la cellule de CS2 BPF2 CCD camera

25 Caractéristiques de la porte à effet Kerr ajustable Profils temporels de chacune des portes Profil temporel de l ensemble des deux portes en fonction de délai entre les portes 400 fs Résolution temporelle de la porte optique : 400 fs Résolution spatiale de l image : 8 μm Efficacité : 35 %

26 Conclusion Les sources à impulsion ultra-courtes permettent d innover en matière de diagnostics optiques pour les milieux diphasiques en écoulement Fige le mouvement pour le mesure de vitesse Imagerie résolue en temps : possibilité d avoir une forme d historique de la lumière à travers le jet. Structure interne? Mesure d une vitesse dans le zone dense du jet Nécessite des efforts d interprétation : liaison avec la simulation numérique

27 NADIA New Advanced Diesel Injection Analysis