Développement de techniques optiques pour la caractérisation de brouillards de gouttes dans les foyers aéronautiques

par Jonathan Brettar

Thèse de doctorat en Dynamique des fluides

Sous la direction de Pierre Gajan et de Christine Lempereur.

Le président du jury était Véronique Roig.

Le jury était composé de Alain Cayre.

Les rapporteurs étaient Luis Le Moyne, Frédéric Grisch.


  • Résumé

    L’optimisation des chambres de combustion est généralement réalisée à l'aide d’outils desimulation numérique. Lorsque le carburant est injecté sous forme liquide, la qualité des simulationsdépend en partie de la définition des conditions aux limites imposées pour cette phase à proximité del'injecteur (diamètre, vitesse et flux volumique des gouttes, vitesse de glissement entre phases). Cesconditions aux limites sont généralement définies à partir d'une analyse expérimentale dans desconditions réalistes d’injection, qui fait appel, dans le meilleur des cas, à l’utilisation del’Anémogranulomètre Phase Doppler (PDA). Cependant, cette technique ponctuelle est coûteuse entemps pour une caractérisation globale de l’injecteur et fournit une mesure des flux volumiques avecdes limitations. Il est également difficile d’accéder à des grandeurs telles que la vitesse de la phasegazeuse en présence des gouttes. Pour répondre à cette problématique, il paraît judicieux de mettre enœuvre des techniques de diagnostic optique spatialement résolues. Cette étude consiste à développer des techniques optiques de champ couplant des approches basées sur la diffusion de Mie, sur l'émission fluorescente des gouttes ou de traceurs et utilisant des algorithmes de type PIV, pour caractériser de manière simultanée et quantitative la granulométrie, la vitesse et le flux volumique de la phase dispersée, ainsi que la vitesse de la phase continue dans les brouillards de gouttes au sein d’une configuration réaliste de foyer aéronautique. Une attentionparticulière est portée à l'étude de la précision de la mesure. Ainsi, des comparaisons sont effectuéesavec des bases de données complètes obtenues à l’aide du PDA. L'analyse de ces résultats estconfrontée aux modèles de l'optique physique régissant les phénomènes de fluorescence et dediffusion de la lumière par des particules à l’aide de simulations. Cette démarche nous permetd'interpréter efficacement les résultats obtenus par imagerie directe et de définir les paramètresd'acquisition et de traitement assurant une précision optimale des mesures.

  • Titre traduit

    Development of optical techniques to characterize droplet sprays in aeronautical combustion chambers


  • Résumé

    The optimization of combustion chambers is generally carried out using numerical simulation tools.When fuel is injected in liquid form, the simulation quality depends on the boundary conditionsimposed to this phase close to the injector (diameter, velocity and volume flux of the droplets, slipvelocity between phases). These boundary conditions are usually set from an experimental analysisunder realistic conditions of injection, which in the best case uses Phase Doppler Anemo-granulometry(PDA). However, this point measurement technique is time consuming for an overall injectorcharacterization and provides a measurement of the volume flux with some limitations. It is alsodifficult to access variables such as the velocity of the gas phase in the presence of droplets. Toaddress this problem, it seems appropriate to implement spatially resolved optical diagnostictechniques. This study consists in the development of optical field techniques which combine approaches based onMie scattering, fluorescent emission from droplets or tracers and use PIV algorithms to characterizesimultaneously and quantitatively size, velocity and volume flux of the dispersed phase, and velocityof the continuous phase in droplet sprays in a realistic configuration of aeronautical injector. Aparticular attention is given to the study of the measurement accuracy. Thus, comparisons are carriedout with complete databases obtained with the PDA. The analysis of these results is faced withphysical optics models governing phenomena of fluorescence and light scattering by particles usingsimulations. This approach allows us to effectively interpret the results obtained by direct imaging anddefine acquisition and processing parameters ensuring optimum accuracy.


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