progrès de la technique de mesure plif à deux couleurs thermographie par fluorescence induite par...
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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.