1 1 Laboratoire dEnergétique, de Mécanique et dElectromagnétisme, Université Paris Ouest Nanterre-La Défense, 50 rue de Sèvres, 92410 Ville dAvray 2 Laboratoire

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1 Laboratoire d’Energétique, de Mécanique et d’Electromagnétisme, Université Paris Ouest Nanterre-La Défense, 50 rue de Sèvres, 92410 Ville d’Avray

2 Laboratoire Interuniversitaire des Systèmes Atmosphériques, Université Paris-Est Créteil Val de Marne, 61 avenue du Général de Gaulle, 94010 CRETEIL

Spectre d'émission de la vapeur d'eau à haute température et haute pression autour de 0,9 µm

Vincent PINA 1 – Pascale CHELIN 2

Vendredi 2 juillet 2010

MC9 : Signatures IR des environnements astrophysiques à haute température

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1. Contexte et objectifs

2. Dispositif expérimental- Chambre de combustion- Dispositif de mesures spectrales

4. Conclusions et perspectives

Plan de l’exposé

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3. Résultats et analyses- Spectres expérimentaux de la vapeur d’eau- Comparaisons Expérience/Modèle

Vendredi 2 juillet 2010 - MC9 : Signatures IR des environnements astrophysiques à haute température

3

Contexte

1. Contexte et objectifs- Contexte- Objectifs

2. Dispositif expérimental- Chambre de combustion- Dispositif de mesures

spectrales


Vendredi 2 juillet 2010 - MC9 : Signatures IR des environnements astrophysiques à haute température

3. Résultats et analyses- Spectres expérimentaux de la vapeur

d’eau- Comparaisons Expérience/Modèle

Maitriser l’impact des effluents « polluants » sur l’environnement.

PREPHA : programme de recherche national sur le développement d’un superstatoréacteur à finalité spatiale (lanceur réutilisable).

RAPIERE : Rapid Affordable Probe for Investigating the Efficiency of Ramjet Engines. Ce programme fait suite au programme PREPHA et a pour objectif d’améliorer les performances de combustion d’un statoréacteur mixte Kérosène/Hydrogène.

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4Vendredi 2 juillet 2010 - MC9 : Signatures IR des environnements astrophysiques à haute

température

Objectifs



spectrales




Modéliser précisément le spectre de la molécule H2O à haute pression et haute température.

Utiliser ces données pour l’optimisation des rendements de combustion et donc pour mieux maîtriser la production des polluants.

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température



spectrales




Réflexions sur le choix du dispositif expérimental

Afin de maitriser à la fois les conditions de températures et de pressions élevées, nous nous sommes initialement intéressés aux cellules à gaz en mode « statique » :

Cellule « Alcatel 1 » (1992) : tube en quartz, hublots en saphir, assemblage par ressorts, chauffage à l’aide d’un four cylindrique à résistances[CO2, Pression atmosphérique ; T < 1000 K]

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Cellule « Alcatel 2 » (1997) : tube en platine, hublots en saphir fixés par thermo-compression, chauffage à l’aide d’un four à induction [Jacquot 1997][CO2, Pression atmosphérique ; T < 1100 K]

[Jacquot 1997] Olivier JACQUOT, Etude du profil de températures et concentrations dans une flamme par spectroscopie infrarouge , Thèse de doctorat, Université Paris Ouest, 9 juillet 1997


température



spectrales




[Vally 1999] Johana VALLY, Etude du spectre d’émission infrarouge des gaz de combustion : application à la mesure de température de gaz et de concentration de CO2, Thèse de doctorat, Université Paris Ouest, 2 mars 1999

[Vally 1999]

Cellule « Auxitrol » (1999) :

Tube en inox, hublots en saphir, résistances chauffantes.

CO2

Pression atmosphérique

298 K < T < 720 K

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température



spectrales




Principales difficultés rencontrées :- problèmes d’étanchéité- problème de stabilisation en température

Bilan sur les cellules à gaz en mode « statique »

Finalement, nous avons décidé de réaliser une chambre de combustion du même type que celles utilisées en détonique.

Néanmoins, l’inconvénient principal de ce type de chambre est que la production de la vapeur d’eau s’effectue de façon « instationnaire » par la combustion d’un mélange H2/O2/N2.

Ces difficultés ne nous permettent pas encore de développer des cellules à gaz en mode « statique » pour des températures supérieures à 1100 K.

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température



spectrales




La chambre de combustion

Principaux éléments

- Tube en inox :

longueur : 600 mm

extérieur : 200 mm

épaisseur : 25 mm

- 2 brides en inox

épaisseur : 25 mm

- Pmax : 200 bar

- Hublots en saphir

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température



spectrales




Les différentes phases d‘évolution du front de flamme

Durée de propagation de la flamme : qq ms (H2/O2) à qq dizaines de ms

(H2/air) / 18


température



spectrales




Le dispositif de mesures spectrales

Le dispositif de mesures spectrales à haute résolution :

- un spectromètre à réseau SOPRA UHRS F1150 de focale 1150 mm

- une caméra CCD (refroidie LN2 ) modèle Spec-10:400B de Princeton Instruments (pixels carrés de 20 µm dont la répartition est 1340 x 400).

Fréquence d’acquisition = ~ 200 spectres par seconde

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température



spectrales




Calibrations et fonction d’appareil

Calibration spectrale et mesure de la fonction d’appareil :

utilisation d’une lampe néon de type UVP Pen-Ray 6032 comme source de référence spectrale ainsi que la banque de données des spectres atomiques du NISTCalibration en intensité :

utilisation d’un corps noirFonction d’appareil - domaine centré à 10416 cm-1

0

0,2

0,4

0,6

0,8

1

-2 -1,5 -1 -0,5 0 0,5 1 1,5 2

Nombre d'onde relatif (cm-1)In

ten

sité

nor

mée

.

pic 1

pic 2

pic 3

fonction modélisée

Résolution de 0,3 cm-1 sur le domaine [10332 cm-1 - 10496 cm-1]

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température



spectrales




0,0

1,0

2,0

3,0

4,0

5,0

6,0

7,0

8,0

9,0

10,0

0,0 10,0 20,0 30,0 40,0 50,0 60,0 70,0 80,0

Temps (ms)

Pres

sion

(ba

r)

-1,0

0,0

1,0

2,0

3,0

4,0

5,0

6,0

Chr

onog

ram

me

de la

cam

éra

(V)

.

Spectre sélectionné durant cette période d'exposition (DT = 3,4 ms)

Sélection du spectre qui correspond à la pression maximale (pression « stable » en fin de combustion et intensité due uniquement à la vapeur d’eau produite lors de la combustion).

Sélection du spectre

Mélange stœchiométriqueH2-air

Pmax = 8,8 bar

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température



spectrales




Evolution du spectre en fonction de la pression

Pi bar Pf bar T ms

0,39 1,97 54,2

0,77 3,93 53,7

1,50 8,93 55,2

3,00 19,83 64,2

5,96 38,26 87,4

10,88 61,40 191,4

/ 18


température



spectrales




Comparaisons Expérience/Modèle Notre modèle raie par raie basé sur l’équation de transfert radiatif

en mode 1D (pas de calcul optimal de 0,01 cm-1) [Al Khoury 2005] utilise :

- Les paramètres spectroscopiques de H2O issus des bases de données HITEMP [Rothman 1995] et BT2update [Barber 2006]

- Les paramètres thermodynamiques liés à la combustion dans la cellule (la modélisation de la combustion réalisée en collaboration avec le LCSR nous permet de déterminer notamment les distributions de températures et de fraction molaire [Chelin 2005] )

[Al Khoury] P. AL KHOURY, Algorithmes géométriques de résolution des moindres carrés non linéaires et problèmes inverses en spectroscopie des flammes, Thèse de doctorat, Université Paris Ouest, 4 mars 2005

[Chelin 2005] P. CHELIN, C. CAMY-PEYRET, V. PINA, P. AL KHOURY, D. DAVIDENKO, Emission spectroscopy of hot water vapor from H2-air deflagrative combustion in a closed cylinder, Combustion and Flame, vol. 140, pp. 319-331, 2005

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[Rothman 1995] L. S. ROTHMAN, R. B. WATTSON, R. R. GAMACHE, J. SCHROEDER, A. McCANN, HITRAN HAWKS and HITEMP High-Temperature Molecular Database, SPIE Proceedings, vol. 2471, n°14, pp. 105-111, 1995

[Barber 2006] R. J. BARBER, J. TENNYSON, G. J. HARRIS, R. N. TOLCHENOV, A high-accuracy computed water line list, Mon. Not. R. Astron. Soc., vol. 368, pp. 1087-1094, 2006

- Des profils de raies Lorentziens


température



spectrales




Comparaisons Expérience/Modèle

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-1,0E-05

1,0E-05

3,0E-05

5,0E-05

7,0E-05

9,0E-05

1,1E-04

1,3E-04

1,5E-04

1,7E-04

1,9E-04

10332 10352 10372 10392 10412 10432 10452 10472 10492

nombre d'onde (cm-1)

lum

ina

nce

(W

/(cm

2.s

r.cm

-1))

expériencemodèle

3,89 bar et 2570 K


température



spectrales





/ 18

0,0E+00

5,0E-05

1,0E-04

1,5E-04

2,0E-04

2,5E-04

3,0E-04

3,5E-04

4,0E-04

10332 10352 10372 10392 10412 10432 10452 10472 10492

nombre d'onde (cm-1)

lum

ina

nce

(W

/(cm

2.s

r.cm

-1))

expériencemodèle

19,7 bar et 2710 K


température



spectrales





/ 18

Nb de raies : x16

8,83 bar et 2640 K


température



spectrales




Conclusions et perspectives

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Les comparaisons réalisées entre les spectres mesurés et ceux modélisés à partir des bases de données sont globalement satisfaisantes bien que celles obtenues grâce à la base de données BT2update montrent de bien meilleures similitudes (notamment sur les intensités).

Ces premiers résultats nous encouragent à poursuivre ces travaux. Les prochaines étapes consisteront donc d’une part à étendre le domaine spectral d’étude et d’autre part à reprendre l’étude sur la molécule de CO2 voire d’envisager l’étude d’autres molécules (CH4 …).

Remerciements : Nous tenons à remercier chaleureusement Claude CAMY-PEYRET, Philippe AL KHOURY, Dimitri DAVIDENKO, L.S. ROTHMAN et I. GORDON pour leurs précieuses collaborations.

Documents

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