Mesures 1D mono-coups multi-espèces de température et de concentration par ajustement de spectres de diffusion Raman spontanée : application dans les flammes aérobies et les oxyflammes turbulentes

1D single-shot multi-species temperature and number density measurements by Spontaneous Raman Scattering spectral fitting : application in turbulent air and oxyfuel flames

• Auteur / Autrice : Florestan Guichard
• Direction : Armelle Cessou
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mecanique des fluides, energetique, thermique, combustion, acoustique
• Date : Soutenance le 19/12/2018
• Etablissement(s) : Normandie
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale physique, sciences de l’ingénieur, matériaux, énergie (Saint-Etienne du Rouvray, Seine Maritime)
• Partenaire(s) de recherche : Etablissement de préparation de la thèse : Université de Rouen Normandie (1966-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Complexe de recherche interprofessionnel en aérothermochimie (Saint-Etienne-du-Rouvray, Seine-Maritime ; 1967-....)
• Jury : Président / Présidente : Benoît Fiorina
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Armelle Cessou, Pascale Desgroux, Christine Mounaïm-Rousselle, Mario Ditaranto, Pascal Boubert, David Honoré
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Pascale Desgroux

Mots clés

Mots clés contrôlés

Thermométrie

Combustion

Flamme

Spectroscopie Raman

Turbulence

Mots clés libres

Diagnostic optique de combustion

Diffusion Raman spontanée

Ajustement de spectre

Combustion turbulente

Oxycombustion

Combustion diagnostic

Spontaneous Raman scattering

Spectral fitting

Turbulent combustion

Oxyfuel combustion

Résumé

Les progrès technologiques des dispositifs expérimentaux ainsi que les récentes avancées pour la simulation des spectres Raman à haute température rendent aujourd’hui possible la mise en oeuvre d’une technique de mesures multi-espèces de température et de concentration uniquement fondée sur l’ajustement des spectres mono-coups de diffusion Raman spontanée collectés au sein des flammes turbulentes. Dans cette étude, cette stratégie de post-traitement, associée à une chaîne de mesure spécifique, est développée selon plusieurs axes pour permettre l’extension des mesures à des cas de flammes ordinairement hostiles aux mesures classiques Rayleigh/Raman résolues par inversion matricielle ou par méthode hybride. Dans une flamme diphasique d’éthanol, une thermométrie fondée sur l’ajustement des spectres de N2 a été mise en place afin de s’affranchir des contraintes liées à la diffusion de Mie des gouttes. L’intégration d’une thermométrie Raman à partir du spectre du méthane ainsi que d’une procédure de minimisation de l’émission de C2 dans le post-traitement des spectres ont permis la réalisation de cartographies multi-scalaires (température et toutes espèces majoritaires) dans toute la zone de recirculation d’une flamme turbulente légèrement fuligineuse générée par un brûleur bluff-body. Une thermométrie fondée sur la minimisation du spectre Raman de CO2 a également été développée et éprouvée au cours d’une campagne de mesures dans une installation d’échelle semi-industrielle reproduisant les conditions d’oxycombustion des cycles de turbines à gaz dans l’objectif de la capture et de la séquestration du CO2.

Recent progress in experimental devices and simulation of high-temperature Raman spectra enable the implementation of a spectral fitting method to solve single-shot Spontaneous Raman Scattering spectra collected in turbulent flames. In this study, this post-processing method, associated to a specific experimental set-up, has been developed to extend measurements to several cases of non-Raman friendly flames where matrix inversion or hybrid methods are usually limited. In a two-phase flame, N2 Raman thermometry has been used to overcome issues from Mie scattering of droplets. The implementation of a CH4 Raman thermometry and a minimization procedure of C2 emission in the data post-processing allowed the achievement of multi-scalar cartographies (temperature and all major species) throughout the recirculation zone of a slightly sooting turbulent flame stabilized on a bluff-body burner. A thermometry based on the minimization of CO2 Raman spectrum has also been developed and tested during a measurement campaign in a semi-industrial scale installation designed for the study of oxyfuel gas turbine cycle in the aim of carbon capture and sequestration.