Progrès de la technique de mesure PLIF à deux couleurs

Thermographie par fluorescence induite par plan laser

Application aux interactions gouttes/parois chaudes

15/06/2010, Vandoeuvre-les-Nancy

Interaction of Droplets with HEAted Surfaces

I. Principe de PLIF

expf opt spec lI K K I cV

T

Intensité de fluorescence:

Dépend de multiples paramètres dont la température

,2

,1

, expi

i

f i opt spec lI K K I cV dT

, , , 2

exp i if i opt i spec i l i

A BI K K I cV C

T T

,1 ,1 ,1

2,2 ,2 ,2

expf opt specf

f opt spec

I K K A BR C

I K K T T

Intensité de fluorescence, intégration sur une bande spectrale:

Rapport de fluorescence:

If: Intensité de fluorescenceKopt: constante dépendant des optiquesKspec: constante dépendant de facteurspectroscopiques

Suppression de c, V et Il, constantes difficiles à maitriser

Il: intensité laserc: concentration en traceurV: volume de mesureΒ: sensibilité en température du traceur

I. Principe de PLIF

480 500 520 540 560 580 600 620 6400

0.5

1

Wavelength(nm)

0

2

Absorption spectrum

Emission spectrumat 21ºC

Emission spectrumat 91ºC Emission spectrumat 49.5ºC

Ab

sorp

tion

coefficien

t (m

ol.L -1.m

)

No

rmal

izede

mis

sio

nin

tensi

ty

3

1

x107

Laser wavelength

510 520 530 540 550 560 570 580 590 6000

200

400

600

800

1000

1200

1400

Wavelength (nm)

Band 2

Band 1

β(K-1)

Spectre d’émission et d’absorption de la fluorescéine dans de l’eau en fonction de la longueur d’onde

Evolution du beta en fonction de la longueur d’onde, sélection des bandes spectrales pour déterminer une sensibilité en température

Bandes spectrales utilisées:505-515 nm570-590 nm

Beta théorique:950 °K-1

2 20 0 0

1 1 1 1ln fR A B

R T T T T

Utilisation d’un rapport d’une référence R0 à T0 connu:

Suppression des constantes optiques et spectroscopiques, dépendance unique en température

I. Principe de PLIF

-0.6

-0.5

-0.4

-0.3

-0.2

-0.1

0.1

02.8 3 3.2 3.4 x10-3

1/T (K-1)

Experimental data

Linear regressionln(Rf(T

))-l

n(Rf(T

0)) A=0 B=1023 K-1

CW Nd:Yag(532 nm)

lenses

Lasersheet

Neutral beam splitter(70% R/30% T)

Long distance microscope

Polarizer

EM-CCD Camera 1

EM-CCD Camera 2

Notch filter (cut-off 532 nm)

Interference filter[570 nm – 600 nm]

Injector

Interference filter[505 nm – 515 nm]

Schéma du montage expérimental de FIL

Calcul du beta expérimental: 1024°K-1

Utilisation de deux caméras et d’une lame séparatrice, --> problème de repositionnement des images

II. Repositionnement des images

Echelle en pixel

Ech

elle

en

pixe

l

Visualisation d'une mire

200 400 600 800 1000

100

200

300

400

500

600

700

800

900

10002000

3000

4000

5000

6000

7000

8000

9000

0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 10000

100

200

300

400

500

600

700

800

900

1000

Echelle en pixel

Ech

elle

en

pixe

l

Repositionnement estimé

camera 1

camera 22-->1 (moindre carré)

Utilisation d’une mire pour visualiser le décalage entre les deux images des deuxcaméras, triplet (tx,ty,θ) à déterminer

Détermination d’une première approximation grossière du décalage entre les deuximages , repositionnement imparfait, nécessite d’affiner le décalage.

Affinage réalisé en minimisant l’écart d’intensité entre les deux images.

Scale (in pixel)

Sca

le (

in p

ixel

)

Raw intensity ratio

50 100 150 200 250

50

100

150

200

250

0.64

0.66

0.68

0.7

0.72

0.74

• Un repositionnement moyen imposé pour l’ensemble des jets ne donne pas les mêmes résultats qu’avec un décalage optimisé propre à chacun des jets -> problème de reproductibilité au niveau du calcul du décalage.

• Très grande sensibilité en fonction du décalage (1 pixel suffit) en terme de rapport…

Repositionnement optimisé pour chacun des jets

Même repositionnement moyen pour chaque jets

II. Repositionnement des images

Conversion rapport / température -> Utilisation d’une référence

Scale (in pixel)

Sca

le (

in p

ixel

)

Intensity ratio / reference intensity ratio

50 100 150 200 250

50

100

150

200

250

0.88

0.9

0.92

0.94

0.96

0.98

1

1.02

Scale (in pixel)

Sca

le (

in p

ixel

)

Intensity field on camera 1(Reflexion)

50 100 150 200 250

50

100

150

200

250 5500

6000

6500

7000

7500

8000

Scale (in pixel)

Sca

le (

in p

ixel

)

Intensity field on camera 2(Transmission)

50 100 150 200 250

50

100

150

200

250

7000

7500

8000

8500

9000

9500

10000

10500

Scale (in pixel)

Sca

le (

in p

ixel

)

50 100 150 200 250

50

100

150

200

250

0.72

0.74

0.76

0.78

0.8

0.82

0.84

0.86

0.88

• Nécessite d’utiliser une référence pour convertir le rapport d’intensité en un champ de température. Test sur une référence réalisé dans une cuve.

Aberrations optiqueDû au montage optique

Stries dues à lacuve

Rapport en cuve variant de 0.71 à 0.88 soit pas moins de 17°C de variation.Très grande inhomogénéitédans l’image, retrouvé dansles jets transverses.

III. Utilisation d’une référence

-> Correction de la linéarité des caméras

IV. Correction de la linéarité des capteurs

50100150200250

50

100

150

200

25050100150200250

50

100

150

200

25050100150200250

50

100

150

200

25050100150200250

50

100

150

200

25050100150200250

50

100

150

200

25050100150200250

50

100

150

200

25050100150200250

50

100

150

200

25050100150200250

50

100

150

200

25050100150200250

50

100

150

200

25050100150200250

50

100

150

200

25050100150200250

50

100

150

200

25050100150200250

50

100

150

200

25050100150200250

50

100

150

200

25050100150200250

50

100

150

200

25050100150200250

50

100

150

200

250

50100150200250

50

100

150

200

250 0.85

0.9

0.95

1

1.05

1.1

1.15

1.2

50100150200250

50

100

150

200

25050100150200250

50

100

150

200

25050100150200250

50

100

150

200

25050100150200250

50

100

150

200

25050100150200250

50

100

150

200

25050100150200250

50

100

150

200

25050100150200250

50

100

150

200

25050100150200250

50

100

150

200

25050100150200250

50

100

150

200

25050100150200250

50

100

150

200

25050100150200250

50

100

150

200

25050100150200250

50

100

150

200

25050100150200250

50

100

150

200

25050100150200250

50

100

150

200

25050100150200250

50

100

150

200

250

50100150200250

50

100

150

200

250 0.85

0.9

0.95

1

1.05

1.1

1.15

• Rapport d’intensité variant suivante le niveau d’intensité moyen au sein de l’image.• Présence d’une variation du rapport à température constante -> non linéarité des

caméras.

Evolution des rapport de référence suivant l’intensité laser avec et sans correction

Puissance laser décroissante

IV. Correction de la linéarité des capteurs

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 10

2000

4000

6000

8000

10000

12000

14000

16000

18000

Laser power (W)

Pix

el le

vel

Camera 1Camera 2

Evolution du niveau d’intensité moyen des pixelsen fonction de la puissance laser

On constate que la réponse des capteurs n’est pas linéaire avec l’intensité laser mais que plus l’intensité augmente, et plus un écart se forme entre les réponses des deux capteurs.

V. Validation sur des jets isothermes

50 100 150 200 250

50

100

150

200

250 0.84

0.85

0.86

0.87

0.88

0.89

0.9

0.91

0.92

Pixels

Pixe

ls

Rapport d’intensité pris dans des jets polydisperses pris à différentes positions et à même température

Pour des jets polydisperses pris à différentes positions, on conserve un rapport dansl’ensemble homogène.

Pb: Reproductibilité pas encore démontré.Gradients souvent présent, il s’agit de savoir si cela est du à un mauvaise positionnement

des images du jet ou en cuve.

VI. Validation sur des jets chauffés

Tinj (ºC)

20

30

40

50

60

70

20 30 40 50 60 70

T (ºC)

Temperature in the injector

Measurement data

1010

50 100 150 200 250

50

100

150

200

250

1

1.5

2

2.5

3

4%

n

Pixels

Pixe

ls

Evolution de la température mesurée en fonction de la température calculé par LIF

Ecart-type normalisé au sein de l’image et divisé par la racine du

nombre d’images prises

Acquisitions réalisées avec la prise de 200 images environ pour un temps d’ouvertureDe 150ms environ -> nécessité de travailler en régime stationnaire

-> Critère de sélection des pixels utiles -> Fonctionnement de la méthode

VII. Validation sur différents impacts1.8

2.2

2.60 0.5 1 1.5 2 2.5 3

x (mm)

y(m

m)

40 50 60 70 80 90T(ºC)

1 1.4 1.8

0

0.5

1

1.5

2

2.5 25

30

35

40

45

50

55

60

x (mm)

y(m

m)

T(ºC)

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3

1.5

2y(m

m)

x (mm)

5040302010T(ºC)

1 mm

1 mm

1 mm

Cas d’un splashing verticalCas d’un film bouillonnant

Cas d’un rebond

VIII. Conclusion

On a mis en évidence un certain nombre de points durs. Lerepositionnement, la non-linéarité du capteur, la non-uniformité de la réponse de la caméra qui est visible au niveau du rapport de référence. On a développé des stratégies pour prendre en compte et corriger ces problèmes mais il y a encore des progrès à faire en termes de reproductibilité et de précision.