Spontaneous Raman scattering for turbulent combustion and plasmas
Diffusion raman spontanée pour la combustion turbulente et les plasmas
Résumé
Because of its low efficiency, spontaneous Raman scattering is still a rarely used method for analysis of reacting flows, especially if they are unsteady as turbulent combustion or pulse discharges. For this purpose, an experimental setup was developed, associated with specific analytical procedures. This setup was evaluated in two cases : a premixed flame and nanosecond discharge as a new ignition method. Measurements demonstrate the originality and the novelty of the results that can bring the spontaneous Raman scattering to the analysis of complex reacting flows. The discharge is generated in a point-plan gap of air and lean propane-air mixture by an application of a positive high voltage pulse of 25 KV and 25 ns to the point electrode at the repetition rate of 10 Hz. Comparisons between experimental Raman spectra with synthetic spectra calculated taking into account the vibrational non-equilibrium and rotation-vibration couplings, yielded vibrational and rotational temperatures of N2 and O2 in the afterglow of air and propane-air mixtures. The study of energy deposition made from measurements of temperatures and densities of major species was used to characterize the different processes of energy transfers occurred during ignition by nanosecond discharge. The feasibility of single-shot temperature measurements by spontaneous Raman scattering for turbulent combustion was then explored on laminar flames of methane-air obtained with a Bunsen burner. In the flame burnt gases, single-shot temperature measurements are obtained with very good accuracy. In both cases studied, the quality of temperature measurement is obtained thanks to an in-situ determination of the instrumental function and uncertainties are evaluated. The results make possible to consider simultaneous single-shot temperature and density of major species measurements with the same experimental set-up opening interesting perspectives for the analysis of other reacting flows.
Du fait de sa faible efficacité, la diffusion Raman spontanée reste une méthode encore peu utilisée pour l'analyse des écoulements réactifs, en particulier s'ils sont instationnaires comme la combustion turbulente ou les décharges impulsionnelles. Pour de telles situations, une chaîne de mesure a été développée, associée à des procédures d'analyse spécifiques. Cette chaîne de mesure a été évaluée dans deux situations : une flamme de prémélange et une décharge nanoseconde envisagée comme nouveau procédé d'allumage. Les mesures réalisées démontrent la richesse et la nouveauté des résultats que peut apporter la diffusion Raman spontanée pour l'analyse d'écoulements réactifs complexes. La décharge est générée en configuration pointe-plan dans l'air et dans un mélange pauvre de propane-air grâce à l'application à la pointe d'une haute de tension positive de 25 KV d'amplitude et 25 ns de largeur à mi-hauteur à la fréquence de 10 Hz. La modélisation des spectres expérimentaux de diffusion Raman spontanée par les spectres synthétiques minimisés, en prenant en compte le hors-équilibre vibrationnel et les couplages rotation-vibration, a permis d'obtenir les températures de vibration et rotation de N2 et O2 durant la post-décharge d'air et propane-air. L'étude du dépôt d'énergie effectuée à partir des mesures de températures et de densités d'espèces majoritaires a permis de caractériser les différents processus de transferts d'énergie qui se produisent lors de l'allumage par décharge nanoseconde. La faisabilité des mesures de températures instantanées pour la combustion turbulente par diffusion Raman spontanée a ensuite été explorée sur des flammes laminaires de méthane-air obtenues sur un brûleur de type bec Bunsen. Dans les gaz brûlés de la flamme la température instantanée est obtenue avec une très bonne précision. Dans les deux situations étudiées, la qualité de la mesure de température est obtenue grâce notamment à une procédure de détermination in-situ de la fonction d'appareil et évaluée par une méthode de détermination des incertitudes. Les résultats permettent d'envisager des mesures simultanées de températures instantanées et de densités d'espèces majoritaires avec le même dispositif expérimental ouvrant ainsi des perspectives intéressantes pour l'analyse d'autres écoulements réactifs.