Nos tutelles

CNRS

Nom tutelle 1

Nos partenaires

Nom tutelle 2 Nom tutelle 3

Rechercher





Accueil > Recherche > Équipe Physique théorique & Astrophysique > Systèmes quantiques ouverts > Contrôle quantique, diagnostic optique et thermodynamique

Diagnostic optique et thermométrie

Modélisation de profils expérimentaux

Depuis plusieurs années, l’étude de la spectroscopie de la molécule H2 a été développée en collaboration entre notre équipe et le laboratoire Interdisciplinaire Carnot de Bourgogne de Physique de l’Université de Bourgogne (ICB). En effet, cette molécule est principalement utilisée comme sonde optique dans les procédures de diagnostic dans les moteurs cryogéniques. Le diagnostic simultané de la température et des concentrations mis au point par l’ONERA à partir de la technique DRASC requiert la connaissance des paramètres caractéristiques de raies spectrales dans une large gamme de températures et de pressions.

Au cours de ce travail, nous avons développé divers modèles décrivant les signatures spectrales du domaine Doppler au régime collisionnel en passant par la région du confinement collisionnel. Ces modélisations sont basées sur la résolution de l’équation cinétique dans laquelle est introduite une fonction mémoire de la vitesse et la dépendance sur cette vitesse des paramètres collisionnels (largeurs et déplacements).

Le modèle noté KS-1D (Keilson et Storer à une dimension) a été développé pour le domaine collisionnel (haute densité) KS puis étendu à l’ensemble du domaine de densité, en introduisant la contribution Doppler dans la résolution de l’équation cinétique. Ce modèle noté KS-3D biparamétrique fait apparaître deux paramètres mémoires (l’un pour l’orientation, l’autre pour le module) en accord avec les résultats obtenus par dynamique moléculaire qui ont permis de clarifier l’interprétation physique des effets mémoires. Cette étude nous a permis de montrer la complémentarité qui existe entre les modélisations et les simulations de dynamique moléculaire effectuées à Besançon et les expériences de spectroscopie à haute résolution effectuées à Dijon.

JPEG - 37.2 ko
Effets des dependances en vitesse des parametres collisionnels
sur les profils spectraux de H2.
JPEG - 34.8 ko

Thermométrie dans les moteurs à combustion interne par DRASC rotationnelle

Il a été démontré récemment par les groupes d’Erlangen et de Lund que la technique DRASC rotationnelle à double bande présente de grands avantages pour la mesure simultanée de la température et de la concentration des espèces dans les moteurs. En effet, l’expérience fournit un signal optique résolu en fréquence, dont l’analyse permet d’évaluer la température et la concentration des espèces présentes dans le milieu gazeux étudié. A partir de l’étude sur les spectres de CO et N2, tous les efforts ont été portés sur l’amélioration de la précision des mesures de température et de concentration. Les premières modélisations de spectres effectuées à température ordinaire ont ainsi montré que l’interférence entre les branches Stokes et anti-Stokes est très importante à haute pression.

JPEG - 40.3 ko
Ajustement d’un spectre expérimental (20% C2H2+80% N2) sur une base de spectres théoriques ; la toute dernière courbe en bas montre les résidus obtenus avec nos valeurs théoriques pour les largeurs de raies.

Spectroscopie résolue en temps : Application à la DRASC femtoseconde

Les travaux menés à l’ICB par spectroscopie de polarisation femtoseconde, et ceux développés à l’Institut Max Planck de Garching par DRASC femtoseconde, ont ouvert des perspectives intéressantes. En exploitant la sensibilité de cette technique, il est possible d’utiliser la DRASC temporelle pour la mesure simultanée de la concentration locale des espèces moléculaires et de la température.

Notre travail a porté principalement sur l’étude des signatures temporelles de H2 à partir de l’expérience DRASC femtoseconde mise en place pour la première fois à Dijon en 2003. Nous avons choisi d’étudier le système H2—N2 pour lequel des effets inhomogènes importants sont attendus. De plus, ce système a été étudié de façon exhaustive dans le domaine des fréquences. Le travail s’effectue en deux principales étapes. La première d’entre elles consiste à valider les procédures d’ajustement dans le régime collisionnel (haute densité) avant d’étendre l’étude dans une deuxième phase pour des conditions expérimentales variées. Pour modéliser la réponse temporelle, nous avons adapté l’approche KS-3D à l’expérience résolue en temps développée à Dijon. Cette étude nous a permis, pour la première fois, de détecter et de modéliser les effets mémoires de la vitesse de H2 sur la réponse temporelle DRASC. Il est donc clair, comme nous l’avions déjà observé dans le domaine des fréquences, que l’utilisation de l’approche KS pour des applications industrielles de diagnostic optique est nécessaire.

JPEG - 22.5 ko
Simulation d’une signature temporelle DRASC femtoseconde pour H2

Spectroscopie des milieux non-réactifs

Durant la période récente, nous avons orienté notre travail de recherche vers les nouvelles techniques de spectroscopie résolue en temps. Nous avons notamment cherché à appliquer les connaissances acquises ces dernières années concernant les effets de vitesse à la spectroscopie DRASC femtoseconde. Plusieurs prolongements de ce travail sont actuellement envisagés. Suite à la mise au point de l’expérience DRASC à Dijon ainsi que d’une modélisation de la signature temporelle dont la résolution numérique est relativement rapide, des études complémentaires peuvent être conduites, notamment des études en température.
Le développement des modélisations de type KS-3D biparamétrique ne se limite pas à l’étude des milieux en combustion. En effet, les milieux d’intérêt atmosphérique présentent des anomalies dans leurs signatures spectrales. Etant donnés les développements récents de nouvelles techniques de spectroscopie à haute résolution, les profils spectraux sont de plus en plus souvent mal décrits par les modèles couramment utilisés. C’est pourquoi nous développons actuellement une approche numérique du modèle KS-3D biparamétrique qui s’affranchisse du type de système moléculaire étudié et applicable dans une large gamme de conditions expérimentales (températures, pressions et concentrations). Dans ce cadre, une étude sur les spectres de H2O dans l’air (N2 et O2) a fait l’objet d’une collaboration avec le LISA (Paris XII). Ce travail s’inscrit dans un projet plus vaste qui aborde les problèmes liés à la description du continuum infrarouge de la vapeur d’eau, problème spectroscopique qui reste mal résolu malgré ses implications très importantes pour la physique atmosphérique. Nous avons donc proposé d’appliquer à un tel système les derniers développements de modèles de profil à effet de mémoire. Une étude similaire concernant les profils spectraux de N2 vient de débuter en collaboration avec le CSIC à Madrid. Les premières mesures effectuées concernent les raies Raman ro-vibrationnelles de N2—H2, système pour lequel il n’existait jusqu’alors aucune donnée.

Parmi les systèmes moléculaires étudiés dernièrement en spectroscopie d’absorption on peut mentionner plus particulièrement C2H2. L’acétylène est un constituant minoritaire de l’atmosphère terrestre produit principalement par des sources anthropogéniques. Il est également présent dans les atmosphères des planètes géantes telles que Jupiter, Saturne, Uranus et Neptune. Afin de nous appuyer traditionnellement sur des données expérimentales de haute qualité, nous envisageons ces études dans le cadre d’une collaboration avec l’Université de Namur.


Contacts : Pierre Joubert