Mesures simultanées des champs de OH, fraction de

Congrès Francophone de Techniques Laser, CFTL 2010, Vandoeuvre-lès-Nancy, 14 – 17 septembre 2010
Mesures simultanées des champs de OH, fraction de mélange
et vitesse pour l’étude de la stabilisation de flamme assistée
par champ électrique
E. Varea, K. Criner, G. Godard, P. Vervisch, A. Cessou
CORIA UMR6614, CNRS, Université et INSA de Rouen, 76801 St Etienne du Rouvray
[email protected]
1 Introduction
Les champs électriques peuvent améliorer la stabilisation de flammes [1-4], mais les processus
impliqués dans ce phénomène ne sont pas encore bien identifiés et sont sujets à différentes
interprétations : modification des processus chimiques [5, 6] ou vent ionique [7, 8]. L’objectif de cet
article est d’étudier les propriétés de l’écoulement en amont d’une flamme-jet suspendue quand un
champ électrique continu est appliqué et de comparer ces propriétés à celles en absence de
champ. La caractérisation des propriétés de l’écoulement (vitesse et fraction de mélange) à la
base des flammes est obtenue en mettant en œuvre simultanément les fluorescences par plan
laser (PLIF) d’OH et d’acétone, et la PIV stéréoscopique (SPIV). Pour les flammes stabilisées
naturellement (sans champ électrique), la mise en place simultanée de PLIF et PIV a déjà prouvé
son intérêt pour analyser les propriétés de l’écoulement conditionnées à la base de la flamme [912]. Il est donc tout à fait intéressant de mettre en œuvre ces techniques pour étudier comment
l’application d’un champ électrique modifie l’écoulement en amont de la flamme. La flamme est
polarisée par une électrode placée loin en aval (80 D) à laquelle est appliquée une haute tension
continue positive. Quand la haute tension est appliquée dans notre configuration, la hauteur de
suspension de la flamme est réduite de 72%. Un grand nombre d’images sont acquises (1100
images instantanées), permettant une analyse statistique à partir de post-traitements spécifiques
et automatiques développés pour déterminer la vitesse et la fraction de mélange conditionnées à
la base de chaque flamme instantanée.
2 Dispositif expérimental
Figure 1 : application du champ électrique par une électrode placée à 80 diamètres en aval de
l’injecteur
L’installation de combustion est constituée d’un tube en céramique de 5 mm de diamètre alimenté
en propane avec une vitesse débitante de 8.8 m/s, entouré d’un écoulement concourant d’air à
0.5 m/s de 50 mm de diamètre. L’air peut être injecté par des entrées axiales ou tangentielles pour
fournir différentes intensités de swirl. Dans la présente étude, les entrées tangentielles ne sont pas
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alimentées, la flamme se stabilise donc dans un écoulement co-courant. Le champ électrique est
appliqué à la flamme en plaçant une électrode dans le panache de la flamme, 80 diamètres en
aval (Figure 1). Une haute tension de 6kV est appliquée à l’électrode, amenant la flamme à se
polariser à un potentiel voisin de 3 kV.
Pour les mesures de PIV, l’écoulement est ensemencé en gouttelettes liquides (DEHS). Les trois
composantes de vitesse sont obtenues par SPIV dans le but d’étudier des flammes stabilisées
dans un écoulement à swirl. Dans le présent papier, seuls des résultats de flammes dans un
écoulement co-courant (sans swirl) seront présentés. La chaîne de mesure de SPIV est composée
d’un laser Nd :YAG (Quantel Twins Ultra 120 mJ, CFR200PIV) et de deux caméras LaVision
(Flowmaster3, 12 bits, 1280x1024) équipées de montures Scheimpflug. Le champ est de
64.8×81.1 mm2 avec un grandissement de 63.3 µm/pixel.
Figure 2 : configuration expérimentale pour la mesure simultanée par SPIV, PLIF de OH et
acétone
Deux méthodes de PLIF sont utilisées pour visualiser la flamme et les champs de fraction de
mélange. La PLIF de OH est un bon marqueur de l’interface gaz frais-gaz brûlés dans les flammes
de prémélange, et constitue plutôt un marqueur des régions pauvres des zones de réactives de
diffusion [13]. Le radical OH persiste dans les gaz brûlés, mais au voisinage de la base d’une
flamme suspendue, l’intérêt de ce radical pour visualiser la flamme a été démontré [10, 14, 15] car
il fournit un niveau de signal de PLIF important et la possibilité d’identifier l’extrémité propagatrice à
la base de la flamme [10, 11]. Pour mesurer la concentration en combustible, ou la fraction de
mélange, dans l’écoulement froid en amont de la flamme, le propane est dopé par de l’acétone
(11%vol.) par un CEM (Bronkhorst). Cette proportion relativement élevée est imposée par la
nécessité d’une dynamique de mesure élevée pour mesurer simultanément les signaux dans le jet
pur et au voisinage de la stœchiométrie. Au voisinage de la stœchiométrie, le signal vaut environ
4% du signal maximal. Pour que le rapport signal-sur-bruit des mesures au voisinage de la
stœchiométrie soit correct, le niveau de signal absolu doit être suffisant, ce qui impose des niveaux
de signaux élevés dans le jet pur en sortie de l’injecteur. Compte-tenu du pourcentage d’acétone
introduit, l’influence de l’acétone sur la chimie ne peut être négligée et il faut considérer que l’on
est en présence d’une flamme propane-acétone. Cependant, la valeur de la fraction de mélange à
la stœchiométrie n’est quasiment pas modifiée par cet ajout d’acétone, et la position radiale de la
flamme dans la couche de mélange n’est pas modifiée. Le radical OH est excité, en nappe laser,
suivant la raie Q1(6) à 282.927 nm, grâce à un laser colorant (Quantel, TDL50) pompé par un laser
Nd :YAG Quantel YG780. L’acétone est excitée par le même laser d’excitation du radical OH. Les
fluorescences induites de OH et d’acétone sont collectées sur la même caméra CCD intensifiée
(PiMax, Princeton Instruments, Gen II, 5 MHz, 512x512) par une combinaison de filtres permettant
d’éliminer les diffusions élastiques (SCHOTT WG305, 3mm), en particulier la diffusion de Mie des
gouttelettes, et de minimiser la part collectée de l’émission de la flamme et des suies (SWP606,
Melles Griot). Le champ est de 74.8×74.8 mm2 avec une résolution pixel de 146 µm/pixel.
La Figure 2 schématise la combinaison de la SPIV et de la LIF. Les lasers sont combinés par une
lame dichroïque, transmettant le faisceau vert et réfléchissant le faisceau UV. Les deux systèmes
sont synchronisés de façon à placer l’impulsion PLIF entre les deux impulsions SPIV. Le laser
PLIF fonctionne à 10 Hz en interne, et fournit un signal de commande pour permettre au système
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d’acquisition Davis de mettre le laser SPIV, qui fonctionne à 30 Hz, en phase. Les acquisitions par
les caméras PLIF et SPIV sont autorisées quand toutes les caméras sont prêtes à être exposées
simultanément.
3 Post-traitements pour la mesure conditionnée
Notre objectif est de mesurer simultanément les champs de vitesse et de fraction de mélange
conditionnés à la base de la flamme (Figure 3), définie comme le point le plus bas des zones de
PLIF de OH, MB(rB,hB), [10]. Le post-traitement doit donc débuter par la détermination des
coordonnées de ce point sur chaque image. Les images de PLIF contiennent à la fois les signaux
de OH et d’acétone. Leur discrimination est donc nécessaire. La procédure de post-traitement des
images de PLIF se décompose en trois étapes : la correction des inhomogénéités de la nappe
laser, la discrimination des signaux de PLIF de OH et acétone, la détermination des coordonnées
de MB.
Figure 3 : fenêtre d’analyse attachée à la base de la flamme définie par PLIF OH
Avant le post-traitement et l’analyse des images de PLIF, les variations d’énergies tir-à-tir du laser
et les inhomogénéités spatiales de la nappe laser doivent être corrigées. Les variations d’énergie
tir-à-tir sont corrigées en moyennant, pour chaque image instantanée, le signal de PLIF d’acétone
d’une petite fenêtre d’intérêt placée dans le cœur potentiel du jet. La forme du profil de nappe laser
est déduite de profil des signaux de la diffusion Raman d’éthanol liquide. L’éthanol est contenu
dans une cuvette de quartz (10x10x100 mm) placée près de l’injecteur juste après chaque série
d’acquisitions. Les profils instantanés de diffusion Raman sont extraits en moyennant 8 colonnes
de l’image de la cuvette. D’un tir à l’autre, la forme du profil de nappe laser varie peu (moins de 5%
de variations relatives au maximum), ce qui permet de considérer que les inhomogénéités du profil
de nappe laser peuvent être corrigées à partir du profil moyen de la nappe laser mesuré juste
après la série d’acquisitions dans la flamme. Nous avons aussi vérifié que ce profil de nappe laser
moyen acquis a posteriori est représentatif des profils instantanés pendant la série de mesure en
comparant ce profil moyen aux profils instantanés extraits dans le cœur potentiel du jet sous la
flamme (h/d<5). Après ces vérifications, les images de PLIF sont alors divisées ligne par ligne par
le profil moyen de diffusion Raman. Puis un filtre médian (3x3) est appliqué aux images.
Les signaux de PLIF de OH et d’acétone sont collectés sur la même image. Les régions de PLIF
de OH caractérisent les zones de réaction et sont placées de part et d’autre de l’axe du jet. Le
signal d’acétone se trouve au voisinage du jet, et permet de déterminer les champs de fraction de
mélange en amont de la flamme. Les régions de deux fluorescences sont séparées par une fine
région où les deux signaux décroissent (Figure 4). L’image de PLIF est binarisée par différents
niveaux de seuillage. A partir d’un premier seuil choisi élevé, le niveau de seuillage est réduit
jusqu’à ce que trois zones indépendantes et leur contour soient identifiés : deux pour les zones de
OH de part et d’autre de l’axe du jet, l’une pour l’acétone au centre (Figure 5). A partir des deux
zones de réaction identifiées, deux mesures d’extrémités de flamme sont réalisées sur chaque
image, étant donné que ces deux mesures sont indépendantes [16, 17].
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Figure 4: Image instantanée de PLIF de OH
et d’acétone
Figure 5 : Contours instantanés de flamme
permettant de définir la base de la flamme de
part et d’autre de l’axe du jet.
Une fois les coordonnées de ces bases de flammes déterminées, des fenêtres d’analyse sont
accrochées aux bases de flammes instantanées pour déterminer les champs de vitesse et de
fraction de mélange (Figure 6 et Figure 7). La position de ces fenêtres d’analyse change donc à
chaque acquisition.
Figure 6 : Champ de vitesse instantanée
conditionné à la base de la flamme
Figure 7: Champ de fraction de mélange
instantané conditionné à la base de la flamme
Les traitements de SPIV sont réalisés par le logiciel LaVision (Davis 7.2), par des calculs de
corrélations par FFT avec un schéma à multi-passage : deux passages avec des mailles de 32x32
pixels suivis de deux passages avec des mailles de 16x16 pixels et un chevauchement de 87%.
Les champs de vecteurs sont validés par un filtre médian, la mesure du rapport signal sur bruit et
l’élimination des vecteurs isolés. Un traitement spécifique a été réalisé pour mesurer les champs
de vitesse conditionnés aux bases de flammes instantanées, MB. Dans le logiciel Davis, cette
mesure conditionnée est réalisée en définissant un masque pour chaque acquisition, attaché à
chaque position instantanée MB. La prise de vue stéréoscopique conduit à une déformation de
perspective des images de particules. Le logiciel Davis calcule les champs de vecteurs 2D-2C
pour chaque caméra avant de calculer les champs 2D-3C par reconstruction stéréoscopique. Ainsi
la position de MB est connue sur les images reconstruites et non sur les images de particules
brutes. En premier lieu, les fenêtres d’analyse sont placées sur les images de particules sans tenir
compte de la déformation puis, une fois le champ de vitesse final calculé et il est interpolé pour
recentrer la mesure sur MB. La fenêtre d’analyse est un masque de 125x50 pixels (7.8 mm x 3
mm), accrochée 700µm sous MB et centrée sur rB. Cette position assure que les calculs de PIV
sont toujours réalisés dans des régions d’ensemencement homogène sans influence de la
disparition des particules dans la flamme. Les champs de vitesse déformés sont reconstruits par la
méthode de Soloff. Sur les champs de vitesse reconstruits, on note que la déformation des images
conduit à une translation de la position radiale de la fenêtre maximale de 2 mm, et de 300 µm en
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vertical. Malgré cette translation, les coordonnées du point MB sont toujours comprises dans le
domaine exploré par le masque.
Les champs de fraction de mélange sont mesurés à partir du signal de PLIF d’acétone (Figure 5),
corrigé des fluctuations d’énergie tir-à-tir du laser et des inhomogénéités spatiales du profil de la
nappe laser. En se limitant à la région isotherme sous la flamme, la concentration de propane est
mesurée par le signal normalisé par la valeur du signal dans le cœur potentiel, puis la fraction de
mélange est calculée. Pour chaque image instantanée de PLIF, une fenêtre d’analyse de 50x25
pixels (7 mm x 3.5 mm) est placée à 1 mm sous MB. Ces mesures conditionnées de Z n’ont pu être
réalisées qu’à des hauteurs inférieures à 55 mm, au-delà l’énergie de la nappe laser est trop faible
pour obtenir un niveau de signal PLIF suffisant pour permettre une mesure correcte de Z. Cette
limitation entraîne une réduction du nombre de mesures dans le cas où le champ électrique n’est
pas appliqué.
4 Résultats
Les hauteurs et rayons instantanés de la base de la flamme sont mesurés à partir de la PLIF de
OH, avec et sans champ électrique (Figure 8). Sans champ électrique la hauteur de flamme varie
entre 30 et 70 mm, avec une valeur modale d’environ 55 mm. Quand le champ électrique est
appliqué la flamme se stabilise nettement plus bas, avec des hauteurs de suspension entre 7 et
35 mm. Dans ce cas, une dissymétrie de la flamme est observée. La flamme se stabilise plus bas
à gauche qu’à droite. Ce comportement vient d’une inhomogénéité de champ électrique due à une
irrégularité de la lèvre de l’injecteur. La pdf des mesures à gauche, présente une dissymétrie qui
n’est a priori pas liée à un effet de champ électrique mais plutôt au fait que la flamme se stabilise
dans ce cas à des hauteurs plus basses que la longueur du cœur potentiel [18]. Dans la suite,
seules les mesures à droite sont présentées. Grâce au champ électrique, la hauteur moyenne de
la flamme est réduite de 55 à 20 mm.
Figure 8. diminution de la hauteur de suspension par application du champ électrique. Avec champ
électrique, les hauteurs à gauche et à droite de l'axe du jet présentent une dissymétrie.
La vitesse axiale conditionnée sur MB diminue quand le champ électrique est appliqué (Figure 9).
Sans champ électrique, la vitesse est comprise entre -0.2 et 4 m/s, avec une valeur modale de
1.3 m/s et une valeur moyenne de 1.4 m/s. Avec champ électrique, la vitesse devant MB est
comprise entre 0.3 et 2.5 m/s, avec une valeur modale de 0.6 m/s.
La pdf de Z conditionnée sur MB (Figure 10) montre une augmentation de la fraction de mélange
quand le champ électrique est appliqué. Sans champ électrique, la fraction de mélange est
comprise entre 0.03 et 0.2 avec une valeur modale, Z=0.055, très proche de la valeur
stoechiométrique ZS=0.06. Compte-tenu des dissymétries que présentent les pdf de Z, nous
préférons comparer les valeurs modales plutôt que les valeurs moyennes. Avec le champ
électrique, la pdf est légèrement plus large, et présente une valeur modale Z=0.07.
Puisque les vitesses et les fractions de mélange conditionnées sur MB sont mesurées
simultanément, l’histogramme joint de ces quantités est accessible. Cet histogramme présenté
pour le cas avec champ électrique, montre un pic intense à U=0.65 m/s et Z=0.055, et un pic
moins intense à U=0.95 m/s et Z=0.077 (Figure 11).
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Figure 9 : Diminution de la vitesse axiale conditionnée à la base de la flamme quand le champ
électrique est appliqué.
Figure 10 : Augmentation de la fraction de mélange à la base de la flamme quand le champ
électrique est appliqué
Figure 11 : histogramme joint de la vitesse axiale et de la fraction de mélange à la base de la
flamme
Figure 12 : champs moyens de fraction de mélange à la base de la flamme sans (à gauche) et
avec (à droite) champ électrique
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La comparaison des champs moyens de Z conditionnée sur MB avec et sans champ électrique
montrent que la flamme se stabilise dans une plus fine couche de mélange avec le champ
électrique (Figure 12). Quand le champ électrique est appliqué, la flamme se stabilise plus bas et
dans une couche de mélange plus étroite, où normalement sans champ électrique la flamme ne
peut se stabiliser compte-tenu d’une dissipation scalaire trop rapide.
5 Discussion
Quand aucun champ électrique n’est appliqué, nos résultats sont en accord avec d’autres travaux
de la littérature [10, 12, 19-21], avec des vitesses axiales devant la flamme comprises entre -0.2 et
4 m/s et une vitesse moyenne de 1.4 m/s. Nous retrouvons ainsi que la vitesse axiale moyenne
devant la flamme est voisine de la « vitesse stœchiométrique » [22], définie par Us=ZsU0+(1Zs)UCF, en considérant que la flamme se stabilise en moyenne le long de l’iso-surface
stœchiométrique au sein de la couche de mélange. Les mesures conditionnées de vitesse
montrent une nette diminution de la vitesse axiale moyenne devant la flamme quand le champ
électrique est appliqué, avec une vitesse moyenne de 0.6 m/s. Cette diminution conforte
l’hypothèse de vent ionique induit par l’accélération des ions de la flamme, mais des informations
complémentaires sont encore utiles comme la connaissance du mélange devant la base de la
flamme.
La première analyse des pdfs de Z avec et sans champ électrique conduit à une conclusion
erronée, en montrant une augmentation de la fraction de mélange par application du champ
électrique, de 0.055 à 0.07 pour les valeurs modales. Cependant, l’histogramme joint de U et Z
conditionnés à la base de la flamme, montre deux pics : l’un intense pour U=0.6 m/s et Z=0.055 et
l’autre moins intense pour U=0.95 m/s et Z= 0.077. Ce résultat montre donc que la fraction de
mélange la plus probable devant la flamme reste égale à la valeur mesurée sans champ électrique
(Figure 10). L’augmentation de Z observée sur la Figure 10 vient de la projection du pic secondaire
de l’histogramme (Z,U) sur l’axe des fractions de mélange. L’analyse de la présence de ce pic
secondaire nécessitera des études supplémentaires, il peut être induit par la difficulté de la flamme
à se stabiliser si bas dans une couche de mélange très étroite (Figure 12).
L’association de trois diagnostics lasers a montré un fort potentiel pour analyser les effets d’un
champ électrique continu sur la stabilisation de flamme, en fournissant des mesures conjointes de
U et Z conditionnées à la base de la flamme. Nous pouvons analyser la configuration
expérimentale choisie pour évaluer ses points forts et points faibles. Nous avons choisi d’utiliser
une seule caméra pour collecter simultanément les fluorescences de OH et d’acétone. Cette
configuration constitue un compromis entre le coût du dispositif et la complexité du post-traitement.
Une séparation optique des deux fluorescences et l’utilisation de deux caméras aurait simplifié le
post-traitement pour déterminer le point MB, et ainsi augmenter le nombre de données validées.
Notre configuration réduit le coût du dispositif, mais il impose de séparer par post-traitement les
signaux de fluorescences de OH et d’acétone. Dans notre étude, cette séparation a été possible
avec 80% de données validées.
L’incertitude de la mesure de Z est comprise entre 5 et 10% en fonction des niveaux de signal. Ce
niveau d’incertitude est compatible avec l’analyse statistique que nous menons. Cette incertitude
est majoritairement due aux bruits de photons du capteur, et une part peut aussi être attribuée aux
fluctuations tir-à-tir du profil de nappe laser, alors que seul le profil moyen de la nappe laser est
corrigé. Notre configuration présente cependant l’intérêt de mesurer le profil de nappe laser in-situ,
et de permettre d’analyser la stabilité du profil de nappe laser.
Dans le contexte de notre étude, la connaissance du taux de dissipation (2D∇Z.∇Z) conditionnée à
la stœchiométrie ou à la base de la flamme est une donnée capitale pour comprendre le processus
de stabilisation de flamme. Puisque nous mesurons les champs de fractions de mélange, nous
pourrions compléter notre étude par l’estimation de la dissipation scalaire. A priori cette estimation
est délicate avec notre dispositif, surtout au voisinage de la stœchiométrie où le signal est très
faible. Cette difficulté vient de la nécessité de collecter sur la même image, le signal en sortie
d’injecteur et le signal à la base de la flamme, ce qui impose une forte dynamique de mesure et un
large champ de prise de vue. Ainsi une mesure précise des gradients de Z conditionnés à la
stoechiométrie et à la base de la flamme, sera très difficile à obtenir.
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6 Conclusions
Nos mesures montrent que la vitesse devant la flamme est réduite quand le champ électrique est
appliqué, et que la fraction de mélange reste stœchiométrique. Ces résultats ont été obtenus par
l’utilisation simultanée de trois diagnostics lasers, la PIV, et la PLIF du radical OH et celle de
l’acétone. L’analyse de flammes turbulentes nécessitant un échantillonnage statistique, nous
avons acquis 1100 images pour chaque condition de fonctionnement et développé un posttraitement automatique pour réaliser des mesures conditionnées de l’aérodynamique et du
mélange. Une fenêtre d’analyse est attachée à chaque base de flamme instantanée identifiée à
partir de la PLIF de OH. Pour comparer les fractions de mélange avec et sans champ électrique,
l’analyse de l’histogramme joint de U et Z conditionnées à la base de la flamme a été nécessaire.
Elle a permis de montrer que le mélange reste majoritairement stœchiométrique devant la flamme,
mais que des valeurs de Z supérieures sont aussi observées, associées à de plus fortes valeurs
de U.
Dans ce papier, nous présentons les mesures conditionnées à la base de la flamme, mais les
mesures de vitesse et de fraction de mélange en sortie de l’injecteur sont aussi accessibles et
seront analysées ultérieurement.
Une perspective intéressante serait aussi d’accéder à la vitesse à la base de l’extrémité
propagatrice présente à la base de la flamme, comme cela a pu être réalisé dans le passé avec de
la PIV à deux composantes [10]. De telles mesures nécessitent encore le développement de
calculs de PIV orientés pour la PIV stéréoscopique.
Nos résultats montrent que l’utilisation simultanée de trois diagnostics lasers (SPIV, OH et acétone
PLIF) fournit une base de donnée pour mieux comprendre les processus physiques impliqués
dans l’amélioration de la stabilisation de flamme par champ électrique, pour proposer des modèles
physiques, et fournir des éléments de validation pour la modélisation numérique.
7 Références
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