Fluorescence induite par laser à trois couleurs appliquée à la mesure de température de gouttes dans les sprays

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1 Flurescence ndute par laser à trs culeurs applquée à la mesure de température de guttes dans les sprays Alexandre LABEGUE 1*, Alan DELCONTE 1, Fabrce LEMONE 1 1 LEMT A, Nancy-Unversté, CNS Avenue de la Frêt de Haye BP Vandeuvre les Nancy * (auteur crrespndant : alexandre.labergue@ensem.npl-nancy.r) ésumé - L bet de ce traval est de présenter les dévelppements récents de la Flurescence ndute par laser (LF) pur la mesure de températures de guttes dans les sprays. La technque de LF deux culeurs a été valdée au LEMTA dans le cas de guttes ndvduelles mndspersées. c, nus prpsns d étendre la technque pur les sprays. Nus allns d abrd mntrer cmment nus avns du mder le mdèle à deux culeurs en tenant cmpte de l envrnnement spray. Ensute, ce mdèle a été valdé et applqué à des mesures de température en mleu saturé pus à l atmsphère ambante. Nmenclature ntensté du sgnal de lurescence, U.A. pt cnstante ptque V c vlume de mesure, m 3 spec cnstante spectrscpque ntensté du laser ncdent, U.A. T température abslu, C C cncentratn du traceur, ml/l T température d nectn, C a, b cecent de sensblté en température, T température de réérence, C λ lngueur d nde, nm D 10 damètre myen des guttes, µm 1. ntrductn La cnnassance des échanges de masse et de chaleur dans les sprays est ndamentale pur la cmpréhensn des phénmènes de vaprsatn de la phase lqude. Ces transerts de chaleur et de masse snt rtement lés à la température de la phase lqude, à la dstrbutn en talle des guttes et à la densté du spray. Pur accéder à ces paramètres, des méthdes nn ntrusves snt nécessares. Les technques ptques snt dnc partculèrement ben adaptées. Des mesures par Anémmétre Phase Dppler (PDA) permettent d accéder à la vtesse, talle des guttes mas auss au lux massque[1-]. Cncernant la température des guttes, n peut cter la technque de l arc en cel glbal ntrdute par Van Beeck [3]. L bet du présent artcle est de décrre les dévelppements récemment menés au LEMTA pur les mesures de température par Flurescence ndute par Laser (LF) dans les sprays. Le prncpe de la LF cnsste à excter un traceur, préalablement dlué dans le lqude étudé, an d ndure un sgnal de lurescence. L ntensté de ce sgnal dépend de la température entre autre, mas également de la cncentratn du traceur, du vlume de mesure u de l ntensté de l exctatn lcale. An de ne cnserver que l nrmatn en température, un rapprt des ntenstés est calculé en mesurant le sgnal de lurescence sur deux bandes spectrales sgneusement sélectnnées. Ce prcédé a été utlsé et amplement valdé dans le cas de guttes ndvduelles mndspersées (LF deux culeurs). L dée c est dnc d utlser l expérence acquse avec le et mndsperse pur l adapter aux sprays. L envrnnement partculer des sprays (grande plydspersn en damètre et présence de guttelettes sur le

2 chemn ptque) est en eet susceptble de mder le sgnal de lurescence cllecté et dnc d ndure un bas dans les températures mesurées. Dans une premère parte, nus allns décrre et rappeler smmarement le prncpe de la LF deux culeurs. Pus, nus allns mntrer cmment le mdèle deux culeurs a été mdé an de l utlser pur les mesures dans le spray. La trsème parte est dédée au dspst expérmental et dans une dernère parte, quelques résultats valdant le nuveau mdèle sernt présentés.. Prncpe de la mesure de température de guttes par LF.1. Mdélsatn de la LF à deux culeurs Nus rappelns c le mdèle dévelppé pur les mesures de LF dans le cas d un et mndsperse. Une descrptn plus précse et cmpléte se truvent dans les papers [4] et [5]. Le lqude étudé c est de l eau dans laquelle est dlué le traceur (Sulrhdamne B) à très able cncentratn ( ml/l). La lurescence est ensute ndute par un laser à argn (λ = nm). Le spectre de la lurescence se présente sus la rme d une large bande spectrale et dépend de la température (Fgure 1). Ans, l a été mntré [4] que l ntensté de la lurescence sur une bande spectrale peut s écrre : = pt, Vc Cg (1) avec pt et spec des cnstantes caractérsant respectvement la chaîne ptque et les prprétés spectrscpque du traceur, l ntensté d exctatn du laser, V c le vlume de mesure et T la température abslue. ntensté nrmalsée T=30 C T=50 C T=70 C λ(nm) Fgure 1 : Spectres de la lurescence pur trs températures en nctn de la lngueur d nde pus pstn des bandes spectrales chses pur les mesures de LF (T) est une nctn qu caractérse la dépendance en température de la lurescence et qu dépend de la bande spectrale chse. Cette nctn peut se mettre sus la rme [5]: a b + T T e () Les cnstantes a et b décrvent la sensblté en température sur la bande spectrale. En mesurant le sgnal de lurescence smultanément sur deux bandes spectrales ( 1 et dnt les sensbltés en température snt dérentes), n peut alrs calculer un rapprt des deux ntenstés : a1 a b1 b + 1 pt,1 1 1 pt,1 1 T T 1 = = =. e (3) pt, ( T) pt, pt,

3 Ans, la mesure est ndépendante des paramètres ncnnus tel que C, et V c. Les bandes 1 et snt ptmsées de manère à avr une dérence de sensblté en température la plus grande pssble. La détermnatn de la valeur des cnstantes a et b est réalsée en eectuant un étalnnage en cuve dans laquelle la température est cntrôlée. La mesure d un rapprt de réérence 10, ù la température est cnnue, permet d élmner les cnstantes pt et spec... Applcatn au spray Dans le cas du et mndsperse, les guttes en un pnt du et nt tutes la même hstre : talle, vtesse et température. Le rapprt 1 est dnc cnstant. Par cntre dans un spray, la cncentratn, la dstrbutn en talle et vtesse des guttes varent dans l espace et dépendent des cndtns d nectn du lqude. Par exemple, la Fgure décrt l évlutn du rapprt 1 (myenné sur guttes) en nctn de la pressn d nectn du lqude. Le rapprt est mesuré en un pnt dans des cndtns quas-sthermes. Nus vyns alrs que 1 vare avec la pressn d nectn alrs que la température est quas-cnstante. D autre part, ce rapprt dère de celu mesuré en cuve à la même température. La mdcatn de la pressn d nectn revent en at à mder la dstrbutn granulmétrque des guttes. Ans, nus avns réalsé une sére d expérences ù nus avns at varer le damètre myen D 10 des guttes dans le spray en utlsant une sére d necteurs apprprés et relevé smultanément la valeur du rapprt 1 (Fgure 3). Cette curbe mntre ben la dépendance de 1 en nctn du damètre myen D 10 des guttes. Par alleurs, l semblerat que plus les guttes snt grsses, plus 1 tend vers la valeur truvée en cuve P (bar) Fgure : Evlutn des rapprts 1 nctn de la pressn d nectn en D 10 (µm) 1 en cuve Fgure 3 : Evlutn des rapprts 1 en nctn du damètre myen des guttes dans un spray Enn, ntns que la traversé du nuage de guttes par le sgnal de lurescence dt cndure à une dusn de cette lumère, phénmène dépendant de la lngueur d nde. Ans, le spectre de lurescence détecté purrat être dérent du spectre éms par les guttes, ce qu ndurat un bas sur la mesure de la température. Un spray a été ntercalé entre des guttes mndspersées et le détecteur. La lurescence a été ndute sur les guttes mndspersées. La présence du spray ne semble pas mder le rapprt de lurescence 1 ce qu permet de cnclure la able nluence du phénmène de dusn. Par cnséquent, l est évdent que la seule nrmatn de 1 n est pas susante pur détermner la température. l est dnc nécessare de mder la technque deux culeurs pur tenr cmpte de la plydspersn en talle.

4 .3. Adaptatn du mdèle à deux culeurs pur le spray : LF à trs culeurs D après les résultats précédents, nus devns mder l équatn (1). Une nctn g qu caractérse l eet de la talle des guttes sur le sgnal de lurescence est ntrdute. L équatn (1) devent alrs : = pt, Vc Cg (4) De la même açn, n peut calculer un rapprt : pt, g = (5) g pt, L équatn (5) at apparaître une nuvelle ncnnue qu est le rapprt des nctns g. La stratége adptée c cnsste à mesurer l ntensté de la lurescence sur une trsème bande spectrale (bande 3 sur la Fgure 1) et de calculer ans deux rapprts : 1 et 3. Cette trsème bande est chse de telle açn que 3 st peu sensble à la température mas de sensblté maxmale à l eet de la talle de guttes. L utlsatn d une réérence ate en cuve ( 10, 30, T 0 et avec g 0 = 1) permet de s aranchr à nuveau des cnstantes pt et spec. ( T ) = g = g (6) l est pssble de détermner une s pur tute l eet de la dstrbutn en talle des guttes sur le rapprt de lurescence en détermnant les nctn g 1 et g 3 dans des cndtns sthermes (T=T 0 ). Pur cela, la pressn d nectn est mdée et les rapprts crrespndant 1 et 3 snt mesurés à prxmté de l necteur en même temps que la température T 0 à l ade d un thermcuple placé dans le crps de l necteur. On peut écrre : g = 1 1 et g = 3 (7) En traçant l évlutn de g 1 en nctn de g 3 pur chaque valeur de pressn, l est pssble d btenr une équatn emprque lant g 1 et g 3 (Fgure 4): g 1 = Ag3 + Bg3 + C (8) L équatn (8) est rénectée dans (6) qu devent une équatn du quatrème degré en T : T T 1 1 ( ) 3 3 ( ) 3 3 ( T ) = A + B + C (9) 1 T T 1 3 ( ) 3 3 ( ) 3 Les nctns 1 et 3 étant cnnue par étalnnage. La réslutn de (6) pur btenr T se at numérquement. 3. Dspst expérmental La Fgure 5 décrt schématquement le dspst expérmental du spray. Le spray est btenu à l ade d un necteur Dans. L axe Z est renté vertcalement dans le sens de prpagatn du spray. Les axes X et Y snt les axes transverses et l rgne 0 est prse à la srte de l necteur. La pressn à l nectn peut varer usqu à 6,5 bars envrn (± 0,1 bar). La lurescence est ndute par deux asceaux laser (laser à argn, λ = nm) qu se crsent dans le spray pur rmer le vlume de mesure V c (système LDA). Le vlume V c a une lngueur de 003 µm, un damètre de 146 µm et une hauteur de 146 µm suvant X, Y et Z respectvement. Le sgnal est ensute cllecté par un dublet achrmatque cuplé à une bre ptque. Ce sgnal est décmpsé sur les trs bandes spectrales à l ade de lames de séparatn et ltres nterérentels. Trs phtmultplcateurs équpés d amplcateurs

5 cnvertssent le sgnal lumneux en sgnal électrque avant d être dgtalsé (carte 1 bts, 10 MHz). Un lgcel d acqustn permet de cntrôler les paramètres d acqustn du sgnal (temps d acqustn u nmbre d échantllns) et de pst-trater les dnnées (calculs des rapprts et de la température). Typquement, les mesures snt eectuées sur guttes. g g 1 =Ag 3 +Bg 3 +C Y necteur X dstance cale Optque de cllectn Vlume de mesure Vc spray g 3 Fgure 4 : Calbratn dynamque Fgure 5 : Cnguratn expérmentale 4. Valdatn du mdèle Une premère sére de tests a cnssté à eectuer des mesures en mleu saturé en vapeur d eau et à température cnstante. L necteur est nséré dans une encente équpée de entes latérales pur lasser passer les asceaux laser (Fgure 6). Au nd se truve une résstance chauante bagnée d eau pur créer la vapeur d eau. La température du lqude à l nectn est cntrôlée. Des thermcuples permettent le cntrôle de la température de l ar ce qu permet d avr une température cnstante dans l encente. Ans, l est pssble d btenr des cndtns de saturatn en vapeur d eau. L évapratn des guttes ans que les transerts thermque par cnvectn rcée snt alrs blqués. La Fgure 7 mntre une able varatn de la température le lng de l axe Z, st une basse de C sur 90 mm envrn (symbles ) pur une température d nectn T n = 50 C. Cette basse est asscée à une basse de T n pendant la durée de la mesure. En eet, la dérence T-T n vare de ± C ( ). Les mêmes mesures (avec tuurs T n = 50 C) réalsées à l ar lbre ( ) mntrent au cntrare une nette décrssance de la température. Ces premers résultats permettent déà de valder le mdèle. Tnectn Y Tar Tar Tar Tnd necteur Z X Optque de cllectn Encente résstance chauante T( C) atmsphére lbre mleu saturé T-T n Z (mm) T-T n ( C) Fgure 6 : Cnguratn expérmental en mleu Fgure 7: Evlutn de la température axale saturé en mleu saturé et atmsphère lbre D autres mesures nt été cndutes à l ar lbre cmme précédemment mas à deux autres températures d nectn du lqude (T n = 33, et 59 C sur la Fgure 8). On bserve à une

6 décrssance de la température du at mantenant de l évapratn et du transert par cnvectn rcée. D autre part, n peut nter que les guttes se rerdssent plus lrsque T n est plus grande. Enn, la Fgure 9 décrvent l évlutn de la température le lng des axes X et Y à Z = 40 mm pur T n = 59 C. Les curbes mntrent que les guttes snt plus rdes aux brds du spray et une assez bnne symétre du spray T n = 33, C T n = 59 C T ( C) Z (mm) Fgure 8 : Evlutn de la température le lng de l axe prncpal Z du spray pur deux températures d nectn T ( C) T n = 59 C et Z = 40 mm évlutn suvant X évlutn suvant Y X u Y (mm) Fgure 9 : Evlutn radale de la température à une dstance de Z = 40 mm de l necteur pur une température d nectn de 59 C 5. Cnclusn Ce traval a présenté les derners dévelppements réalsés au LEMTA pur la mesure de température de guttes dans les sprays en utlsant la méthde de Flurescence ndute par laser, technque ntalement dévelppée pur le cas de guttes mndsperses. Nus avns d abrd mntré les mdcatns apprtées au mdèle ntal en ntrdusant une nctn qu prend en cmpte de la dstrbutn en talle des guttes. Des mesures élémentares nt ans démntré l mpact de la talle des guttes. Pus une sére de mesures de températures dans le spray pur pluseurs température d nectn, en stuatn de transerts thermques cntrôlés, nt perms de valder le nuveau mdèle. Des calculs numérques actuellement en curs permettrnt d explquer physquement l nluence de la talle des guttes. D autre part, des tests de cuplage de mesures LF/ PDA (Anémmétre Dynamque de Partcule) snt en préparatn an de mesurer des crrélatns de talles de partcules/températures. éérences [1] Damaschke et al., Optcal partcle szng n backscater, Appl. Opt., 41 (00), [] Trpea et al., Dual mde Phase Dppler Anemmeter, Part. Syst. Charact., 13 (1996) [3] Van Beeck et al., Glbal anbw thermmetry r average temperature measurements spray drplets, 3-5, 10 th ntl. Symp. On the Appl Laser Technques t Flud Mechanc. Lsbn, Prtugal, 000. [4] Castanet et al., Measurement the temperature dstrbutn wthn mndsperse cmbustng drplets n lnear stream usng tw clrs laser nduced lurescence, Exp. n Fluds, 35 (003), [5] Lavelle et al., Evapratng and cmbustng drplet temperature measurement usng tw-clr laser-nduced lurescence, Exp. n Fluds, 31 (001),