Vélocimétrie par marquage moléculaire pour analyser les écoulements de gaz raréfiés

Molecular Tagging Velocimetry for exploring rarefied gas flows

• Auteur / Autrice : Zongwei Zhang
• Direction : Stéphane Colin, Marcos javier Rojas cardenas
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Dynamique des fluides
• Date : Soutenance le 24/10/2023
• Etablissement(s) : Toulouse, INSA
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Mécanique, énergétique, génie civil et procédés
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : ICA - Institut Clément Ader - Institut Clément Ader / ICA
• Jury : Président / Présidente : Lounès Tadrist
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Christine Barrot Lattes
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Jean-Christophe Batsale, David Newport

Mots clés

Mots clés contrôlés

Diffusion (physique)

Acétone

Mots clés libres

Vélocimétrie par marquage moléculaire

Ecoulement de gaz raréfié

Vitesse de glissement

Acétone

Diffusion moléculaire

Diamètre cinétique

Molecular tagging velocimetry

Rarefied gas flows

Slip velocity

Acetone

Molecular diffusion

Kinetic diameter

Résumé

La vélocimétrie par marquage moléculaire (MTV) est une technique de mesure optique non intrusive, qui a été largement utilisée pour la visualisation des écoulements de gaz et de liquide. La mesure de vitesse est réalisée en enregistrant l'évolution temporelle de l'émission photoluminescente de molécules traceurs, telles que la vapeur d'acétone dans le cas des gaz, portées par l’écoulement. Dans ce travail, la MTV a été utilisée pour mesurer les champs de vitesses des écoulements de gaz raréfié dans un canal de dimensions millimétriques. Cependant, il est nécessaire de coupler les mesures de déplacement moléculaire à une méthode de reconstruction basée sur l'équation d'advection-diffusion pour extraire correctement les profils de vitesse de l'écoulement. Afin de mettre en œuvre avec succès cette méthode, une estimation correcte du coefficient de diffusion des molécules traceurs est nécessaire. Néanmoins, à l'heure actuelle, il n'y a pas d'accord définitif dans la littérature en ce qui concerne la valeur du diamètre cinétique de l'acétone, ce qui compromet également l'estimation du coefficient de diffusion. Dans cette thèse, le coefficient de diffusion a été mesuré via l'enregistrement de l'évolution temporelle de l'élargissement de la ligne de traceur activée par un faisceau laser UV. Ce travail offre également une estimation expérimentale indirecte du diamètre cinétique de l'acétone. Cette mesure nous a permis d'améliorer les mesures de vélocimétrie obtenues par MTV dans un nouveau canal transparent adapté à des conditions de basse pression.

Molecular tagging velocimetry (MTV) is an optical, non-intrusive measurement technique, which has been widely used for gas and liquid flow visualization. The velocity measurement is realized by recording the temporal evolution of photoluminescence emission of tracer molecules, such as acetone vapor, which follow the gas flow. In this work, MTV was used for measuring velocity fields of rarefied gas flows in a millimetric channel. However, it is necessary to couple the molecular displacement measurements to a reconstruction method based on the advection-diffusion equation, in order to correctly extract the velocity profiles of the flow. In order to successfully implement this method, a correct estimation of the diffusion coefficient of the tracer molecules is necessary. Nevertheless, there is currently no definitive agreement in the literature regarding the value of the kinetic diameter of acetone, which compromises also the estimation of the diffusion coefficient. In this thesis, the diffusion coefficient was measured by recording the temporal evolution of the widening tagged line of acetone vapor. This work also offered an indirect experimental estimation of the kinetic diameter of acetone. This measurement helped us to improve the velocimetry measurements obtained via MTV in a novel transparent channel at low pressures.