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Type
Thèse
Lieu
centre ONERA Palaiseau
Date
01/03/2018
Sujet/Titre
Développement de l’imagerie LIF sur l’aluminium pour la caractérisation de flammes de propergols solides aluminisés
Descriptif
Un axe important de la compréhension des oscillations de pression générées dans les moteurs fusées est la prise en compte de la combustion de l’aluminium dans l’écoulement. Sa modélisation fine en ambiance propergol requiert des données expérimentales mesurées in situ qui sont rares en ambiances réelles (température, pression, gaz de propergol) à cause des conditions hostiles propres à ces milieux.
La fluorescence induite par laser appliquée à l’aluminium atomique (LIF-Al) est étudiée à l’ONERA au département DPhIEE (Physique, Instrumentation, Environnement, Espace), pour répondre aux contraintes de ce type de flammes. Depuis peu, elle vient d’être démontrée pour la première fois dans une combustion de propergols solides aluminisés grâce au soutien d'un projet R&T CNES de 2017 (RT-CT-1510000). L’atome d’aluminium produit une fluorescence intense facilement détectable dans ce type de flammes, malgré la très forte luminosité intrinsèque liée à la présence de particules incandescentes et à la température élevée, et malgré la forte pression responsable de pertes en signal de fluorescence.
L’étude expérimentale et théorique du processus LIF dans l’atome Al en phase vapeur, a été réalisée récemment dans le cadre de la thèse de G. Vilmart (ONERA, 2014-2017) à l’aide d’un laser impulsionnel nanoseconde à un taux de répétition élevé (10 kHz). Avec le soutien du CNES au travers d'un projet R&T, l'imagerie par LIF sur Al (PLIF-Al) a été transposée pour la première fois à des flammes de propergols aluminisés de recherche, à petite échelle (sur un banc de combustion de l’ONERA-Palaiseau). Ces essais ont fourni des images exploitables jusqu’à 10 bars. La cadence d'acquisition de 10 kHz permet de faire un suivi temporel des particules. Ces premières images sont très encourageantes pour poursuivre les développements et l'exploitation des informations données par ce moyen d’analyse.
La proposition de thèse s’oriente vers une caractérisation expérimentale plus complète de la combustion de gouttes d’aluminium en ambiance propergol à l’aide de la PLIF-Al. Notamment, une ou des stratégies expérimentales doivent être étudiées pour observer l’évolution des particules (inflammation, combustion, extinction) depuis la surface du propergol et dans la flamme via différents paramètres (comme vitesse, trajectoire, forme et taille, phases liquide et vapeur, etc.) qu’on cherchera à déterminer. Une recherche plus amont, concerne la poursuite de l’étude de spectroscopie LIF (en s’appuyant sur les résultats de la thèse de G. Vilmart), qui doit contribuer à parfaire l’analyse des images pour en tirer des variations de concentrations avec les conditions de pression et de composition du propergol. Il s’agit notamment de progresser sur le calcul des propriétés du signal en fonction de la pression (effets collisionnels) de la température, et aussi de la prise en compte de l’absorption en milieux denses. Une recherche des signatures LIF, d’autres espèces chimiques impliquées dans la modélisation de la cinétique de combustion, sera entreprise pour pouvoir les mesurer à terme. La visualisation des gouttes d’aluminium sera améliorée par l’apport de perfectionnements pour permettre la mesure à pression plus élevée avec un meilleur contraste (signal/fond augmenté), sur des particules isolées (images zoomées). La discrimination des signaux émis par la phase liquide et la phase vapeur sera étudiée ; le profil de la vapeur étant primordial pour la compréhension de la cinétique de combustion, par exemple, en couplant les diagnostics par LIF et diffusion de Mie.
Ce projet de thèse inclut une partie traitement des données qui sont enregistrées en grande nombre (jusqu’à 10000 images sur une durée de combustion) à partir d’abord d’outils disponibles à l’ONERA (par ex. ceux issus de la thèse de M. Nugue) puis éventuellement d’outils spécifiques pour réaliser un suivi temporel de gouttes durant leur combustion. Ce suivi permettra d’étudier l’évolution de paramètres précis à déterminer en cours d’étude, mais qui pourront être le diamètre de la goutte, le signal d’Al gazeux, la disparition de l’aluminium gazeux indicateur de la condensation en oxyde d’aluminium, etc. L’interprétation de ces données sera réalisée en synergie avec d’autres analyses déjà disponibles à l’ONERA, obtenues par ombroscopie et par simulation de la combustion instationnaire de gouttes isolées.
Une nouvelle R&T CNES 2018 (PIC 02 ODP) a été soumise pour permettre la montée en maturité de la méthode LIF-Al grâce à de nouveaux essais de combustion de propergols.
L'encadrement scientifique et technique du doctorant est assuré par le laboratoire d'accueil (ONERA- centre de Palaiseau). Le directeur de thèse appartient au laboratoire Physico-Chimie des Processus de Combustion et de l'Atmosphère (PC2A), UMR CNRS/USTL 8522 de l'Université de Lille1, rattaché à l'école doctorale des Sciences de la Matière, du Rayonnement et de l'Environnement (SMRE, université de Lille). Un cofinancement CNES, Direction des Lanceurs est demandé.
M.
Prénom
Xavier
Nom
Mercier
email
xavier.mercier@univ-lille1.fr
Téléphone
03.20.43.48.04

16e Congrès Francophone de Techniques Laser

17-21 septembre 2018

Le Domaine du Normont

Dourdan, France

Soumission des résumés avant le 22 mars 2018

 

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Digital Holography & 3-D Imaging

25 June 2018 – 28 June 2018
Orlando, Florida United States

Submission Deadline: 6 Feb. 2018

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Workshop Estimation de la pression et des efforts à partir de diagnostics optiques

Vendredi 21 septembre 2018 après midi (14h-16h30) après le CFTL Dourdan, France

Date limite de soumission : 22 mars 2018

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