Exploitation tomographique de la spectroscopie d'absorption de multiples faisceaux laser à multi-longueurs d'ondes pour la cartographie des espèces chimiques dans les chambres de combustion.

by Vincent Corbas

Thesis project in Physique

Under the supervision of Ajmal Khan Mohamed.

Ongoing thesis at Paris Saclay , under the authority of Ondes et Matière , in a partnership with ONERA - Département de Mesures Physiques (laboratoire) and Université Paris-Sud (établissement de préparation de la thèse) since 01-10-2016 .

  • Alternative Title

    Tomographic exploitation of absorption spectroscopy from multiples multiwavelenght lasers beams for chemical species cartography in combustion chamber.


  • Abstract

    Since a long time, the ONERA used laser diode spectroscopy metrology (TDLAS) in its experimental studies in aerodynamic and combustion. The most important defect of this technic is its lack of spatial resolution because it provides only integrated measurements on the entire length of the laser beam crossing the gaseous environment studied. But, development and optimization of combustion engines need 3D cartographies of diverse chemical species (CO2, H2O, OH) and thermodynamics parameters (pressure, temperature and speed). The availability of these cartographies is interesting for many projects of the ONERA and its clients. This study concerns the extension of TDLAS technique to do tomography with using many laser beams (always at variable wavelength) which cross gaseous environment. The technique will be called TDLAT (Tunable Diode Laser Absorption Tomography). The study will be at once numerical and experimental. The experimental part will include developing and setting up the instrument: assembling of the spectrometer with several lasers diodes and QCL, dividing up and conditioning of lasers emissions for the number of beams wanted, using of optics matrix detectors (CCD or assembly of monodetectors to estimate), in order to acquire in addition to spectral signatures beams movement by index gradient. The numerical part concern: - Design and implementation of processing of inversion of spectroscopic data in order to extract chemical species concentration and some thermodynamic parameters. It consists to invert the spectrums by Abel/Radon transform of low number of view by using spatial correlations and spectral acquisitions. - Modeling of the acquisition process and inversion in order to optimize the quantity and the disposal of beams depending of flow characteristics (for example: characteristic scales and potential symmetries).


  • Abstract

    L'ONERA emploie depuis longtemps la métrologie par spectroscopie à diode laser (TDLAS) dans ses études expérimentales en aérodynamique et la combustion. Le grand défaut de cette technique est son manque de résolution spatiale car ne fournissant que des mesures intégrées sur toute la longueur du faisceau laser traversant le milieu gazeux étudié. Or de plus en plus le développement et l'optimisation des moteurs de combustion requièrent des cartographies 3D de divers espèces chimiques (CO2, H2O, OH, …) et des paramètres thermodynamiques (pression, température et vitesse). La disponibilité de telles cartographies est une entrée intéressant de nombreux projets de l'ONERA et de ses clients. La présente étude concerne l'extension de la technique TDLAS à faire de la tomographie via l'emploi de beaucoup de faisceaux lasers (toujours à longueurs d'onde variables) traversant le milieu gazeux. La technique s'appellera TDLAT (Tunable Diode Laser Absorption Tomography). L'étude sera à la fois expérimentale et numérique. La partie expérimentale consistera à aider au développement et à la mise en place de l'instrument : montage du spectromètre à plusieurs diode lasers et QCL, division et conditionnement des émissions lasers pour le nombre de faisceaux lasers voulu, emploi des détecteurs optiques matriciels (CCD ou ensemble de monodétecteurs à évaluer) afin d'acquérir, en plus des signatures spectrales les déplacements des faisceaux par les gradients d'indices. La partie numérique concerne : - la conception et la mise en œuvre du traitement d'inversion des données spectroscopiques pour en extraire les concentrations des espèces chimiques et certains paramètres thermodynamiques. Il s'agit d'inverser les spectres par transformée d'Abel/Radon à faible nombre de vues en exploitant des corrélations spatiales et spectrales des acquisitions ; - la modélisation du processus d'acquisition et d'inversion afin d'optimiser le nombre et la disposition des faisceaux en fonction des caractéristiques de l'écoulement (par exemple : échelles caractéristiques et symétries éventuelles).