DISPOSITIFS EXPERIMENTAUX ET PROCEDURES DE TRAITEMENT DES DONNEES BRUTES

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.3 Flamme swirlée et/ou stratifiée et production de suie
Cette section est consacrée, dans un premier temps, à la compréhension et à la justification de l’utilisation d’écoulements swirlés et stratifiés en combustion. Afin de comprendre comment les particules de suie sont formées dans ce type de flamme complexe, il est nécessaire d’observer leur formation dans des flammes plus simples. C’est pourquoi une présentation graduelle des résultats publiés dans la littérature scientifique dans des configurations de plus en plus complexes sera proposée. L’effet de la pression sur la formation des suies sera également discuté.
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2.3.1 Intérêt du swirl et de la stratification en combustion
Dans le but de réduire la production des , la plupart des nouvelles chambres de combustion aéronautiques fonctionnent en régime pauvre prémélangé [72]. Ce régime présente cependant l’inconvénient de produire des instabilités de combustion provoquées par des oscillations de pression et de dégagement de chaleur qui s’entretiennent mutuellement pouvant conduire à des contraintes mécaniques importantes sur la chambre de combustion et sur le système d’injection de combustible [73-75]. Afin de réduire ces instabilités, plusieurs mécanismes physiques sont utilisés dont le swirl et la stratification.
Le terme « écoulement swirlé » désigne un écoulement animé d’une vitesse tangentielle non-nulle. L’utilisation de la combustion swirlée est très répandue notamment dans l’industrie et les transports terrestres et aéronautiques avec les brûleurs de centrale thermique, les fours, les raffineries ou encore les turbines à gaz. Son principal avantage réside dans la formation d’une zone de recirculation centrale toroïdale (appelée IRZ pour « inner recirculation zone ») qui achemine la chaleur et les espèces chimiques réactives présentes dans les gaz chauds du haut de la flamme vers la base du brûleur, augmentant ainsi la réactivité dans cette région. Ceci permet de stabiliser la flamme dans des régions de faible vitesse où la vitesse de flamme est du même ordre de grandeur que la vitesse de l’écoulement, limitant ainsi les risques de
« flashback » (propagation du front de flamme en amont de l’écoulement possiblement à l’intérieur du brûleur) ou de « souffler » la flamme (phénomène de « blow-off » en anglais) ([76], page 77) . Les mécanismes menant à la formation d’une zone de recirculation interne (IRZ) en flamme swirlée sont illustrés par la Figure 11 et se décomposent de la manière suivante :
– Le profil radial de vitesse tangentielle induit par le swirl de l’écoulement engendre un gradient radial de pression imputable aux forces centrifuges se traduisant par une dépression près de l’axe du brûleur.
– L’ouverture de l’écoulement à la sortie du brûleur provoque une décroissance axiale de la vitesse tangentielle qui entraine une diminution axiale du gradient radial de pression.
– Près de l’axe de l’écoulement, un gradient axial de pression positif est observé, ce qui provoque une vitesse axiale négative donc un écoulement dirigé vers la sortie du brûleur.
La formation de l’IRZ dépend donc de la réduction de la vitesse de l’écoulement swirlé en sortie de brûleur. Ce phénomène est largement atténué dans une configuration de combustion confinée où l’expansion de l’écoulement en sortie de brûleur est limitée par les parois [77]. Le swirl peut être accompagné d’une stratification de l’écoulement, c’est-à-dire un gradient de richesse. Le terme stratification est utilisé dans la littérature scientifique pour qualifier les gradients de richesse dans une flamme mais également les gradients de richesse contrôlés à l’injection. C’est la deuxième définition qui sera traitée ici lorsque qu’on évoquera les effets de stratification et nous traiterons principalement de la stratification radiale comme sur le schéma représenté sur la Figure 12.

3.2 Production de suie en flamme laminaire
Les flammes laminaires se prêtent bien à l’étude détaillée des mécanismes de formation et de consommation des suies car elles sont stationnaires et ne nécessitent pas la mise en œuvre de plusieurs techniques en
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simultané. Elles sont aussi stables car elles produisent peu d’instabilités thermoacoustiques et certains paramètres expérimentaux (débits, richesse…) peuvent être modulés sans provoquer de discontinuités fortes dans les phénomènes physiques observés. La littérature scientifique sur ce type de flamme est riche en information, d’autant qu’elles sont utilisées pour le développement des techniques de mesure. On relève ici un plusieurs de ces travaux qui permettent de rassembler l’essentiel des connaissances sur la formation des suies dans ce type de flamme.
Dans une série de publications, Santoro et al. [80-84] ont caractérisé la formation des suies dans une flamme de diffusion produite par un brûleur composé de deux tubes coannulaires : un tube central par lequel est injecté le carburant et un tube externe dans lequel circule l’air. Plusieurs grandeurs relatives aux particules de suie et à la flamme ont été mesurées : la concentration des espèces chimiques par prélèvement et spectrométrie de masse, la vitesse des gaz par vélocimétrie laser (LDV), la température à l’aide de thermocouples, la fraction volumique de suies par extinction et LII (Incandescence Induite par Laser ou Laser-induced Incandescence en anglais, voir section 2.5.4.2 pour plus d’information), la concentration en nombre et la taille des agrégats de suie par extinction et diffusion et enfin la présence de HAP par LIF (Fluorescence Induite par Laser ou Laser-induced Fluorescence en anglais, voir section 2.6.2 pour plus d’information). La Figure 13 résume ces mesures et va nous aider à détailler l’historique de la formation des suies dans cette flamme. Les réactions chimiques aboutissant à la formation et à la croissance des suies demandent des températures élevées, entre 1200 et 1800 K avec un pic de production autour de 1600 K [85-87]. Il est donc important de caractériser le transport de la chaleur des zones de haute température (front de réaction de combustion) vers les zones riches où la présence majoritaire d’espèces hydrocarbonées est propice à la formation des suies. Pour examiner les zones de nucléation, les auteurs se basent sur les niveaux de température, la fluorescence sur les espèces chimiques en phase gazeuse attribuée aux HAP et la diffusion de la lumière par les suies (Figure 13 (a) et (d)). Les deux pics périphériques de diffusion commencent à apparaître à partir de 3 mm au-dessus du brûleur, hauteur correspondant donc à la formation des premières particules. Sur la Figure 13 (a), on se rend compte que les suies sont formées à l’intérieur de la zone de haute température, donc dans la zone riche en carburant et pour des températures couvrant la gamme 1400 – 1750 K. Si on observe les mesures de vitesse à ces positions (Figure 13 (b) et (c)) et les mesures de diffusion à différentes hauteurs (non indiquées ici), on trouve une variation significative de signal de diffusion tous les 1
mm pour des vitesses de l’ordre de 0,5 m/s, ce qui correspond à un temps caractéristique de l’ordre de la milliseconde caractéristique de l’existence d’une chimie lente associée aux suies (3-4 fois plus lent que les temps caractéristiques pour la combustion, par exemple [88]) . La Figure 13 (d) montre un profil du signal de fluorescence des HAP constitué de deux pics légèrement plus proches du centre du brûleur avec des valeurs maximales situées aux positions radiales où l’on observe une décroissance rapide du signal de diffusion. Cette zone de recouvrement est attribuée à la nucléation des premières particules de suies. L’ordre d’apparition radiale des trois pics (HAP, diffusion, température) reste inchangé en fonction de la hauteur.

2.3.4 Production de suie en combustion turbulente prémélangée
Contrairement aux flammes non-prémélangées ou partiellement prémélangées, les études en flammes turbulentes parfaitement prémélangées sont rares dans la littérature scientifique. Il s’agit pourtant de configurations radicalement différentes puisque, dans le cas d’un prémélange parfait, les effets de mélange combustible / oxydant n’auront pas d’impact sur la production de suies au contraire du cas non-prémélangé où ils représentaient des paramètres clefs. La production de suie en flamme prémélangée est donc pilotée par le mélange turbulent des gaz brûlés avec les gaz frais, la température, la concentration locale en précurseurs et le taux de cisaillement local. Une flamme swirlée parfaitement prémélangée a été étudiée par Roussillo et al. [113] en 2019. Contrairement au cas non-prémélangé, le pic de fraction volumique est mesuré vers l’extérieur de la flamme et non dans la zone centrale avec toutefois des particules détectées dans l’IRZ. On retrouve des structures de suies organisées en ligaments étirés et plissés par l’écoulement et présentant une épaisseur de 0,5 à 2,5 mm. Comme attendu en flamme turbulente, l’apparition des suies est intermittente et cette intermittence est reliée aux niveaux mesurés de fraction volumique. Proche de la sortie du brûleur, une forte intermittence est détectée ainsi qu’une grande variabilité de la fraction volumique de suies. Juste au-dessus de cette zone, on retrouve une région d’intermittence quasi-similaire mais la variation de la fraction volumique est réduite, ce qui induit une fraction volumique moyenne plus faible. Enfin, on observe pour des hauteurs plus grandes une diminution de l’intermittence accompagnée d’une variabilité de réduite et une fraction volumique moyenne plus faible. L’oxydation joue un rôle très faible dans cette flamme puisque des mesures de fluorescence induite par laser ont révélées la présence de OH uniquement dans une zone très proche de la sortie du brûleur.

Effet de la pression

Pour des raisons d’optimisation en termes de taille et d’efficacité énergétique, la combustion dans une chambre aéronautique se produit à haute pression (entre 30 et 40 bar). En effet, ce niveau de pression permet d’augmenter la quantité d’énergie par unité de volume relâchée par les mécanismes réactionnels, qui varient proportionnellement au carré de la pression. Cela va également impacter la flamme et par conséquence la production de suie. Au niveau de la flamme, les principaux effets d’un changement de pression vont être une augmentation des taux de réaction et une diminution de la diffusivité moléculaire. En effet, l’augmentation de la densité du milieu diminue les distances entre les molécules et augmente la probabilité de collisions. En conséquence de l’augmentation des taux de réaction, les réactifs sont consommés plus rapidement et l’épaisseur de la zone réactive de combustion diminue [114]. Pour des flammes de diffusion laminaires, une élévation globale de la fraction volumique de suies est observée lorsque la pression augmente quel que soit le régime de combustion à pression modérée (entre 1 et 20 bar) [115]. Cette augmentation engendre une accentuation des transferts thermiques par rayonnement ce qui provoque, avec le fait que la flamme soit plus compacte, des forts gradients de température (1000 – 1500 K/mm). Les données divergent pour des pressions plus élevées et selon les configurations mais il semble qu’une stabilisation voire une diminution de la fraction volumique soit trouvée. Amin et al. [116] montrent que l’augmentation de la fraction volumique de suies est en fait corrélée à l’augmentation de la taille des agrégats et plus particulièrement à celle du diamètre des sphérules primaires puisqu’ils mesurent en parallèle une diminution de la concentration en nombre. Cette observation va dans le sens d’une croissance de surface de plus en plus prépondérante avec la pression. En ce qui concerne le processus d’oxydation, une récente étude où des suies ont été prélevées puis exposées, dans un microscope électronique, à un flux de gaz oxydant à haute température (1100 K), montre que les suies produites à haute pression seraient plus difficiles à oxyder [117]. En effet, une coquille de carbone graphitique dont l’épaisseur augmente avec la pression se forme en périphérie des agrégats. Le carbone cristallin est stable et difficile à oxyder, ce qui empêche les espèces oxydantes de diffuser dans les particules pour les oxyder de l’intérieur. Peu d’études sur l’effet de la pression existent en flamme prémélangée. La configuration de flammes produites avec un brûleur de type « McKenna » est celle qui a été la plus souvent utilisée [87, 118] dans des domaines de pression allant de 1 à 15 bar. L’évolution de avec la hauteur est similaire à celle observée à pression atmosphérique, c’est-à-dire une augmentation suivie d’un plateau. La croissance est cependant plus rapide et le plateau plus haut lorsque la pression augmente. On observe la même tendance lorsque la fraction volumique de suies est analysée en fonction du temps de résidence, ce qui montre que le taux de croissance est augmenté lorsque la pression est élevée. Les études en flamme turbulente sont rares mais semblent montrer une tendance similaire d’augmentation globale de fraction volumique avec la pression [107-109]. Les structures restent filamentaires mais elles deviennent plus fines qu’à pression atmosphérique et de plus grands gradients sont mesurés avec des fractions de volume locales supérieures à 1 ppm [15].
L’analyse expérimentale d’une flamme est plus difficile à haute pression. Le premier inconvénient réside dans la chambre de combustion qui réduit les accès optiques et qui bloque certains angles d’observation utiles pour certains diagnostics optiques comme la diffusion angulaire par exemple. Il est possible de recourir à des hublots optiques incurvés pour résoudre partiellement ce problème [116]. Comme décrit dans le paragraphe précédent, de forts gradients de température et donc de densité existent à haute pression. Ceci peut être une seconde source de contrainte lors de l’utilisation de diagnostics optiques à cause d’une déviation (« beam steering » en anglais) ou de focalisation du faisceau laser incident ou de celle de la lumière collectée. Ce phénomène est aggravé par l’utilisation de hublots optiques épais. Enfin, on a vu dans la section 2.5.4.2.2 que l’absorption de la nappe laser pouvait créer des problèmes pour l’utilisation de diagnostics lasers. Ce phénomène est amplifié à haute pression à cause de densités plus élevées et par l’augmentation de la production de suie.

Conclusion

Cette revue de la littérature scientifique permet de comprendre que la production de suie en flamme turbulente purement prémélangée n’a été que très peu étudiée et que la configuration de flamme stratifiée et swirlée n’a, à ce jour, pas été exploitée. Ce constat combiné au fait que ce mode de combustion est similaire à celui que l’on retrouve dans les nouveaux systèmes de combustion industriels nous pousse donc tout naturellement à privilégier l’étude de la formation des suies dans ce type d’architecture de système d’injection.

Description globale des techniques de caractérisation des suies

Dans cette sous-section, les techniques de mesure des grandeurs introduites dans la section 2.2 vont être décrites succinctement afin de donner les principales spécifications des techniques de mesure utiles à l’analyse des particules de suie. Cette présentation permettra en outre de comprendre pourquoi, parmi le large éventail de techniques de mesure potentiellement utilisables, certaines ont été privilégiées dans notre étude. Pour les techniques nécessitant un prélèvement (ex-situ), on distinguera les mesures en ligne effectuées directement sur l’aérosol après prélèvement dans la flamme et les mesures hors-ligne nécessitant le prélèvement d’un échantillon (sur un filtre ou sur une grille par thermophorèse par exemple) puis une analyse à postériori.

Taille des agrégats

La taille des agrégats peut être mesurée de manière ex-situ en prélevant les particules de suie. Toutes ces techniques de mesure souffrent de limitations relatives au prélèvement pouvant avoir un impact fort sur la mesure [119]. Premièrement, l’introduction d’une sonde de prélèvement dans une flamme perturbe le milieu en termes d’aérodynamique, de transferts thermiques et d’acoustique. Dans le cas d’un prélèvement de particules en phase aérosol, l’écoulement doit être rapidement figé chimiquement et dilué afin de réduire l’agrégation des particules. Cette opération est réalisée par dilution avec un gaz inerte (azote par exemple). Une seconde dilution est souvent indispensable afin de ne pas saturer les instruments de mesure. Cette phase de prélèvement induit temps de transit de l’aérosol jusqu’à l’appareil de mesure qui doit être réduit au maximum afin de réduire l’agrégation et les pertes par déposition [120]. En plus des effets de perturbation de la flamme [121], la méthode de prélèvement ainsi que le stockage des échantillons peuvent modifier les propriétés morphologiques et géométriques des particules [122].
Le SMPS (Scanning Mobility Particle Sizer) associe un DMA (Differential Mobility Analyzer) pour la sélection en taille des nanoparticules à un compteur de particules (CPC). Cet appareil permet de mesurer la distribution en taille des particules de suie en diamètre de mobilité électrique. Son fonctionnement sera détaillé dans la section 2.5.1. Le DMS (Differential Mobility Spectrometer) permet également la mesure de distribution de taille exprimées en diamètre de mobilité [123]. Il fonctionne sur le même principe que le DMA mais permet une mesure de distribution de taille résolues en temps. Cependant, la résolution (nombre de classes de diamètre) est plus faible que celle du SMPS et le comptage des particules n’est pas optique (mesure de courant via le positionnement d’électromètres dans le DMA). L’ELPI (Electrical Low Pressure Impactor) [124, 125] permet de mesurer une distribution de taille exprimée en diamètre aérodynamique ou en diamètre de Stokes. Ces techniques sont résolues en temps et permettent de balayer des gammes de taille supérieures au micromètre (limite supérieure du SMPS). Cependant, le faible nombre de canaux conduit à une résolution faible des distributions de taille en comparaison du SMPS. Ces techniques de mesure sont effectuées en ligne. Cependant, la distribution de taille des agrégats peut également être mesurée hors-ligne par diverses techniques de microscopie [126] (microscopie électronique en transmission TEM, microscopie électronique à balayage SEM, microscopie aux ions hélium HIM) après un prélèvement des particules sur un support par déposition. Cependant, les mécanismes de dépôt sont complexes et dépendent de la taille des particules, ce qui peut conduire à un biais de représentabilité des distributions de taille [122].
La mesure in-situ de la taille des particules peut être effectuée par techniques optiques en utilisant la diffusion élastique de la lumière ou des combinaisons diffusion/extinction ou diffusion/incandescence induite par laser. Certaines méthodes permettent même de déterminer la polydispersion de la population étudiée. Nous détaillerons ces aspects dans la section 2.5.4.1.3.

Diamètre des particules primaires

Lors des premières étapes de leur formation, les particules de suie ne sont pas encore des agrégats et leur taille peut être mesurée « en ligne » de manière ex-situ avec les appareils commerciaux détaillés en section 2.4.1. En revanche, dès lors que l’agrégation démarre, les diamètres mesurés par ces appareils ne sont plus représentatifs des particules primaires mais de l’agrégat. Afin de déterminer le diamètre des sphérules primaires, on peut donc s’orienter, pour ce qui est des méthodes ex-situ, vers un prélèvement associé à une analyse par microscopie. Encore une fois, les techniques optiques sont les seules options disponibles pour la mesure in-situ. La méthode la plus utilisée consiste à analyser la décroissance temporelle du signal d’incandescence induite par laser (TiRe-LII) (voir section 2.5.4.2.1 pour une description détaillée). On peut également utiliser la diffusion des rayons X aux petites angles (SAXS) qui, comme son nom l’indique, va consister à mesurer le signal diffusé résultant de l’interaction d’un champ électromagnétique de courte longueur d’onde avec les particules. Beaucage [127] a proposé en 1995 une approche similaire à la RDG-FA (voir section 2.5.4.1.1) afin d’exploiter la diffusion de la lumière par des agrégats pour des courtes longueurs d’ondes. Cette théorie a ensuite été utilisée dans des flammes par di Stasio et al. [128] et Yon et al. [129]. Cette approche expérimentale présente l’avantage de mesurer des distributions de tailles de mais souffre, de la même manière que pour la technique de diffusion de la lumière dans le visible, de problèmes liés à la nature mal posée de l’inversion (voir section 2.5.4.1.3) puisque les expressions mathématiques proposées par Beaucage pour les courtes longueurs d’ondes sont similaires à celles utilisées dans le domaine du visible. Dans les mesures en flamme précédemment citées et pour palier à cet inconvénient, les auteurs utilisent un algorithme de régularisation de Tikhonov ou des mesures complémentaires. De plus, la génération d’un rayonnement X monochromatique suffisamment puissant n’est possible que dans des synchrotrons où la mise en œuvre ne se prête pas à l’ensemble des dispositifs de mesure. Wang et al. appliquent pour la première fois en 2002 la diffusion des neutrons aux petits angles (SANS pour Small Angle Neutron Scattering) à des particules de suie de manière in-situ dans une flamme [130]. Dans cette étude, les auteurs présentent des mesures de concentration en nombre et de diamètre moyen dans un brûleur McKenna. C’est une technique puissante car elle est totalement non-invasive contrairement à la TiRe-LII, et que le signal de SANS dépend de la masse volumique et de la composition atomique et non de l’indice de réfraction complexe. Cette technique est cependant assez compliquée à mettre en œuvre car les sources puissantes de neutrons ne sont pas facilement accessibles et nécessitent beaucoup de précautions à l’emploi. De plus, les temps d’intégration dans ce type de mesure sont très longs : une heure par point de mesure dans l’étude précédemment citée. Les mesures ne sont donc pas résolues temporellement. Les limitations d’infrastructures, de coût et de disponibilité des sources sont les raisons pour lesquelles la mesure in-situ de est essentiellement réalisée par LII résolue en temps.

Microstructure, composition chimique et propriétés optiques

Cette section détaille les techniques de mesure permettant de caractériser les suies à l’échelle atomique. On inclut ici la microstructure (arrangement des atomes), la composition chimique et les propriétés optiques qui sont très importantes dans le cadre de l’étude in-situ des suies. Ces dernières sont liées à la microstructure et à la composition chimique des particules.
Parmi les techniques permettant d’étudier la structure interne des suies, on peut citer la spectroscopie Raman qui est un outil reposant sur la mesure du décalage de fréquence observé entre une impulsion laser excitatrice et le signal diffusé après son interaction avec les suies. Cette différence de fréquence provient de l’interaction entre les photons et les modes vibrationnels du milieu (émission ou absorption d’un phonon). Cette technique est très complète pour la caractérisation de la structure interne des suies car elle permet d’avoir accès de manière qualitative à la proportion de carbone graphitique, de carbone amorphe, de composés organiques ainsi qu’à des informations complémentaires comme les défauts cristallins ou encore la présence de certains groupes de molécules [131]. Cette technique est souvent appliquée de manière ex-situ sur des échantillons prélevés par déposition [132, 133]. Elle est difficilement applicable en ligne car l’intensité par particule du signal de diffusion Raman est faible. De fortes densités de particules sont nécessaires pour atteindre un rapport signal à bruit suffisant. Les mesures en phase aérosol en ligne nécessitent donc des temps d’intégration longs [134] rendant impossible la mesure dans un environnement lumineux comme une flamme sans saturer le détecteur. D’autres techniques ex-situ basées sur la spectrométrie de masse permettent l’analyse des espèces chimiques en phase gazeuse ou adsorbées à la surface des particules. Par exemple, la spectrométrie de masse par désorption/ionisation laser (LD/LI-TOF-MS) dans laquelle les espèces présentes en surface sont désorbées par une première impulsion laser puis ionisées par une deuxième impulsion afin de pouvoir les analyser avec un spectromètre à temps de vol représente une solution [135]. La spectrométrie de masse par faisceau moléculaire (MBMS) en ligne est adaptée à l’étude des HAP et radicaux présents dans la phase gazeuse [136]. La sélectivité de cette technique de mesure peut être améliorée durant la phase d’ionisation par ionisation multi-photon (REMPI) [137] ou mono-photon en utilisant un rayonnement synchrotron [138]. Une méthode analogue à la LD/LI TOF-MS est la spectrométrie de masse par microsonde laser (LMMS) qui utilise le même principe d’ionisation et de désorption par laser mais en utilisant une seule impulsion laser [139]. Ces techniques ont l’avantage de ne nécessiter qu’une petite quantité de suie. Pour les HAP, une forte sélectivité des isomères peut être atteinte en utilisant la chromatographie en phase gazeuse (GC) couplée à un spectromètre de masse [140]. La spectrométrie de masse par photo-ionisation (PIMS) peut être appliquée sur la phase gazeuse et sur la phase particulaire directement sur un flux de gaz brûlés en sortie de flamme [141]. Les spectrométries photoélectronique X (XPS) ou UV (UPS) utilisent des rayons X ou UV pour éjecter les électrons de cœur ou de valence de l’échantillon. Ces électrons sont détectés et le spectre obtenu permet de remonter aux espèces avec une grande sélectivité puisque il est possible de sonder les couches électroniques proches du noyau [142]. La spectroscopie de masse des ions secondaires (SIMS) ou spectroscopie de masse neutre secondaire (SNMS) a également été utilisée pour l’analyse d’échantillons de suie puisque ces techniques permettent d’étudier les échantillons en profondeur en éjectant couche après couche les atomes [143]. Enfin, la spectrométrie de masse d’aérosol en temps réel (RTAMS) est une technique très complète permettant d’accéder à la taille (diamètre aérodynamique), à la composition chimique et à la densité des particules en ligne [144].
Pour ce qui est de la microscopie, on peut utiliser le TEM Haute Résolution qui permet d’obtenir directement des images de la microstructure interne des suies [145] (Figure 6). Enfin, la surface et la forme des particules peuvent être caractérisées grâce à la microscopie à force atomique (AFM) [146] ou la microscopie électronique à balayage (MEB) [147].
Les techniques citées ci-dessus sont adaptées à l’étude ex-situ d’échantillons de suie ou au mieux en ligne mais sont cependant impossibles à mettre en place dans une flamme de manière in-situ. Parmi les techniques de mesure in-situ, on peut citer les techniques de diffusion et d’extinction utilisées depuis de nombreuses années pour obtenir des informations sur les propriétés optiques des suies [68, 70, 148]. Bescond et al. [65] ont couplé des mesures d’extinction à un modèle de densité effective afin de montrer l’effet de la composition chimique (rapport OC/TC) des suies sur leurs propriétés optiques et plus particulièrement sur les fonctions d’absorption ( ) et de diffusion ( ) (voir section 2.5.4.1.1). La mesure d’extinction sur un spectre large de longueur d’onde peut permettre d’évaluer l’OBG (optical band gap) des suies [149, 150]. L’OBG est défini comme la différence d’énergie entre le plus haut état peuplé de la bande de valence et le plus bas état peuplé de la bande de conduction. Cette différence d’énergie est caractéristique de la structure carbonée. Des informations sur les propriétés d’absorption des suies sont également obtenues grâce à l’incandescence induite par laser (LII) [151, 152]. La dépendance spectrale de l’absorption est également définie à l’aide de « l’Ångström exponent » (AAE) [153] ( ∝ 1/ ). Enfin, la section efficace d’absorption massique ou MAC est obtenue en couplant des mesures d’extinction et de LII avec un étalonnage de la LII en concentration massique [154].

Morphologie

L’analyse de la morphologie des suies réside principalement dans la détermination de la dimension fractale . La microscopie TEM [43, 58] est usuellement utilisée afin de mesurer ce paramètre (hors ligne). Certains auteurs l’ont utilisé « en ligne » à partir de mesures de densité effective [155, 156] mais il a été montré par la suite que l’exposant de mobilité ainsi déterminé n’est pas strictement égal à la dimension fractale [157]. Pour ces raisons, la diffusion angulaire est préférée pour une analyse in-situ [56, 63]. Le préfacteur fractal n’est quant à lui déterminé qu’à l’issue d’une analyse TEM [57, 58].

Concentration et masse

Cette section détaille les techniques de mesure permettant d’accéder à des informations de type masse et concentration des particules. Le terme « concentration » englobe ici la concentration volumique en nombre (nombre de particules par unité de volume), la concentration massique (masse des particules par unité de volume de gaz) ou encore la fraction volumique (rapport du volume d’aérosol sur volume de gaz porteur). De manière générale, pour des analyses ex-situ ou en ligne, les appareils qui comptent le nombre de particules, comme le CPC utilisé par le granulomètre SMPS, fournissent une concentration en nombre de particules. Il faudra cependant connaitre le facteur de dilution de l’installation de prélèvement qui est souvent nécessaire pour ne pas saturer les compteurs de particules ainsi que la fonction de transfert du dispositif de prélèvement qui peut varier selon le diamètre des particules. Le TEOM (Tapered Element Oscillating Microbalance) repose sur la mesure de la fréquence de résonance d’un système de filtration traversé par l’aérosol. Il permet de mesurer une concentration massique (en / 3 ) des particules en aérosol. Le CPMA (Centrifugal Particle Mass Analyser) est un classificateur de particules par masse et son couplage à un compteur permet la mesure de la distribution en masse. Le PPS (Pegasor Particle Sensor) est un autre instrument d’analyse ex-situ ou en ligne qui mesure un courant de fuite et l’associe via un étalonnage à la masse ou au nombre de particules par unité de volume de gaz.
Pour les techniques in-situ, la LII s’impose dans la littérature scientifique comme la méthode la plus répandue pour déterminer la fraction volumique ou la concentration massique de suie (voir section 2.5.4.2). L’extinction est aussi utilisée pour évaluer (voir section 2.5.4.1.2). Elle est d’ailleurs la technique conventionnelle servant à étalonner la LII. Elle est couplée à une mesure de pyrométrie à deux couleurs dans le cadre de l’application de la MAE (Modulated Absorption/Emission) qui permet, grâce à la modulation du signal laser par une cellule de Bragg, d’obtenir la température des suies sans supposer de l’émissivité en plus de la fraction volumique de suies moyenne le long du trajet du faisceau laser [158]. Un développement de cette technique de mesure appliquée en deux dimensions dans une flamme axisymétrique a récemment été proposé par Legros et al. [159]. La mesure absolue du signal de diffusion élastique peut, quant à elle, permettre une détermination de la concentration en nombre volumique mais demande beaucoup de mesures additionnelles ou d’hypothèses sur la population d’agrégats étudiée (Equation (41)).

Description approfondie des techniques de mesures utilisées pour l’analyse des suies au cours  de la thèse

Dans cette section seront détaillées de manière approfondie les techniques de mesures qui ont été utilisées et développées pendant ma thèse.

Sélection des techniques de mesure

Comme précisé dans la section 2.3, un large éventail de techniques de mesure autorise une analyse détaillée des particules de suie. Il convient donc de choisir celles qui sont le mieux adaptées à l’étude d’une flamme prémélangée, turbulente et swirlée. Les techniques optiques sont privilégiées car elles ne perturbent pas (ou peu) le milieu analysé. Elles permettent d’acquérir des mesures instantanées et, avec un matériel adapté, à haute-cadence. Ces deux derniers points sont particulièrement importants en milieu turbulent d’autant plus qu’il est possible de coupler les diagnostics optiques entre eux de manière à obtenir des corrélations entre diverses grandeurs scalaires. La LII sera utilisée pour la mesure de fraction volumique et de taille des particules primaires. Ce diagnostic laser, largement reconnu et utilisé dans diverses flammes, est sensible aux faibles . C’est également la seule technique de mesure quasi non-intrusive (hormis la SAXS qui nécessite des équipements conséquents) permettant la mesure de même si, nous le verrons plus loin, la mesure est indirecte. La diffusion élastique angulaire sera mise en place pour la mesure de taille des agrégats car c’est la seule technique optique permettant d’accéder à cette grandeur physique. Un développement de cette technique de mesure en 2D à haute cadence sera proposé afin d’obtenir un suivi temporel des particules de suie dans la flamme. Nous verrons que la dépendance spectrale des mesures de diffusion est également une information pertinente que ce soit pour déterminer la taille des particules ou pour avoir une indication de leur composition. Des méthodes intrusives avec prélèvement seront également appliquées : le SMPS (Scanning Mobility Particle Sizer) pour la mesure de distribution de taille qui permettra d’obtenir une comparaison avec la mesure par diffusion et le TEM qui donnera accès à des informations de taille et de morphologie, ce qui complètera la description des agrégats produits dans la flamme.

Technique ex-situ : SMPS.

Les techniques de mesure ex-situ nécessitent un prélèvement de l’aérosol directement dans la flamme ou dans les gaz brûlés. Cette étape est délicate à mettre en œuvre et peut avoir un fort impact sur la précision de la mesure (voir section 2.4.1).
Le SMPS (Scanning Mobility Particle Sizer) est un dispositif de mesure permettant de mesurer des distributions de taille de particules en diamètre de mobilité électrique. Il est composé d’un dispositif de charge des particules, d’un DMA (Differential Mobility Analyzer) et d’un CPC (Condensation Particle Counter) (voir Figure 18). Le fonctionnement de ce dispositif de mesure est le suivant : premièrement, l’aérosol polydispersé prélevé est bombardé de rayons X afin de charger électriquement les particules qui le compose. Il est ensuite acheminé vers un DMA. Cet appareil est constitué d’un cylindre externe et d’un cylindre interne possédant une entrée et une sortie pour les particules et dans lequel s’écoule un gaz à débit contrôlé ( ℎ ℎ sur la Figure 18). Un champ électrique est appliqué dans ce cylindre de manière à créer une compétition entre les forces de trainée aérodynamiques et électriques s’appliquant aux particules. Ainsi l’aérosol polydispersé va pénétrer dans le cylindre interne et seule une certaine classe de particules de diamètre de mobilité fixé va pouvoir ressortir. On aura donc en sortie un aérosol monodispersé en diamètre de mobilité électrique. La dernière étape est de compter les particules présentes dans l’écoulement, c’est le rôle du CPC. Tout d’abord, les particules nanométriques sont mises en contact avec un solvant condensable en phase vapeur (habituellement de l’eau, du butanol ou de l’isopropanol) afin de former rapidement une goutte micrométrique. Les particules, maintenant de plus grande taille, peuvent être comptées optiquement avec un faisceau laser associé à un photodétecteur. Le principe de fonctionnement du SMPS requiert un balayage des classes de diamètre de mobilité qui prend d’autant plus de temps que la gamme de taille analysée est étendue. Cette particularité peut être contraignante lors d’études de phénomènes instationnaires comme par exemple la production de suies en flamme turbulente. Malgré ses inconvénients (prélèvement, dilution, lissage temporel, effet de charge, restitution d’un diamètre de mobilité difficilement interprétable), le SMPS est un dispositif de mesure couramment utilisé état de système de référence dans la communauté des aérosols de nanoparticules.

Microscope électronique à transmission

La microscopie électronique à transmission (TEM) est une technique de mesure utilisée pour la caractérisation d’échantillons minces comme une suie isolée par exemple. Cette technique consiste à faire interagir un faisceau d’électrons avec l’échantillon, puis à détecter les électrons provenant de cette interaction. Le prélèvement des agrégats est effectué sur une grille métallique directement insérée dans la flamme ou dans les gaz brûlés. Lorsque la grille est placée dans la flamme, le prélèvement est appelé thermophorétique. En effet, la grille froide est mise en contact avec la flamme pendant quelques secondes et les particules s’y déposent par thermophorèse [160]. Le dépôt peut également être réalisé avec un prélèvement des gaz brûlés dans la flamme [119] ou en sortie de chambre de combustion [161]. Cette méthode possède l’avantage de pouvoir analyser l’aérosol avec d’autres appareils de mesures ex-situ installés en parallèle. Les échantillons sont ensuite stockés puis analysés. Il est conseillé de conserver les échantillons sous atmosphère inerte et sec afin d’éviter d’éventuels changements morphologiques et géométriques relatifs aux réactions chimiques avec le gaz ambiant [122]. On peut observer le type d’images obtenues en TEM sur la Figure 7 et TEM haute résolution sur la Figure 6 où l’analyse des interférences entre les électrons transmis et diffractés permet d’obtenir des informations sur la microstructure du matériau. Le post-traitement des images est ensuite réalisé manuellement ou avec des algorithmes de traitement d’image. Bescond et al. [51] ont par exemple développé une méthode automatique de détermination de la distribution de taille des particules primaires basée sur le calcul de la carte des distances euclidiennes (Euclidian Distance Mapping en anglais). La détermination des éléments fractals peut également être effectuée avec une procédure automatique [162].

Techniques optiques in-situ

Comme discuté précédemment, les diagnostics optiques in-situ présentent plusieurs avantages par rapport aux techniques intrusives nécessitant un prélèvement. Premièrement, les perturbations produites sur le milieu à analyser sont négligeables : l’interaction d’un faisceau laser avec la flamme est brève (généralement quelques nanosecondes) et ne modifie pas les caractéristiques de l’écoulement, les transferts thermiques ou encore les réactions chimiques à la seule condition que la densité d’énergie apportée par le faisceau laser soit inférieure à un niveau fixé. En effet, des modifications à l’échelle microscopique peuvent apparaitre pour des densités d’énergie laser trop élevées comme on le détaillera dans le cas de la LII dans la sous-section 2.5.4.2. Les techniques optiques in-situ permettent également d’accéder à des mesures instantanées. L’étude des phénomènes instationnaires est alors envisageable de même qu’un suivi dynamique (résolu en temps) grâce à l’emploi de sources laser et de systèmes de détection haute-cadence. Ces études demandent cependant une expertise importante dans la mise en œuvre des équipements expérimentaux (peu de dispositifs commerciaux à ce jour) et dans l’analyse des signaux de mesure qui demande un post-traitement sophistiqué qu’il convient de concevoir mathématiquement et numériquement contrairement aux systèmes de mesure commerciaux ex-situ qui donnent souvent un affichage en temps réel des résultats.

Table des matières

NOMENCLATURE
CHAPITRE 1. INTRODUCTION ET CONTEXTE
CHAPITRE 2. ETAT DE L’ART : LES PARTICULES DE SUIE ET LES TECHNIQUES DE MESURE ASSOCIEES
2.1 FORMATION ET CONSOMMATION DES PARTICULES DE SUIE
2.1.1 Formation et croissance des précurseurs
2.1.2 Nucléation
2.1.3 Croissance de surface
2.1.4 Coagulation : coalescence et agrégation
2.1.5 Oxydation
2.2 CARACTERISATION DES PARTICULES DE SUIE
2.2.1 Morphologie et taille
2.2.2 Composition chimique et propriétés optiques
2.3 FLAMME SWIRLEE ET/OU STRATIFIEE ET PRODUCTION DE SUIE
2.3.1 Intérêt du swirl et de la stratification en combustion
2.3.2 Production de suie en flamme laminaire
2.3.3 Production de suie en combustion turbulente non-prémélangée
2.3.4 Production de suie en combustion turbulente prémélangée
2.3.5 Effet de la pression
2.3.6 Conclusion
2.4 DESCRIPTION GLOBALE DES TECHNIQUES DE CARACTERISATION DES SUIES
2.4.1 Taille des agrégats
2.4.2 Diamètre des particules primaires
2.4.3 Microstructure, composition chimique et propriétés optiques
2.4.4 Morphologie
2.4.5 Concentration et masse
2.5 DESCRIPTION APPROFONDIE DES TECHNIQUES DE MESURES UTILISEES POUR L’ANALYSE DES SUIES AU COURS DE LA THESE
2.5.1 Sélection des techniques de mesure
2.5.2 Technique ex-situ : SMPS.
2.5.3 Microscope électronique à transmission
2.5.4 Techniques optiques in-situ
2.6 TECHNIQUES DE MESURES UTILISEES DANS LA THESE POUR L’ANALYSE DES FLAMMES ET DES PRECURSEURS DE SUIE
2.6.1 Sélection des techniques de mesure
2.6.2 Fluorescence induite par laser
2.6.3 Vélocimétrie par image de particules (PIV)
2.6.4 Mesures de température par thermocouple
CHAPITRE 3. DISPOSITIFS EXPERIMENTAUX ET PROCEDURES DE TRAITEMENT DES DONNEES BRUTES
3.1 BANC DE COMBUSTION SIRIUS
3.1.1 Architecture du brûleur
3.1.2 Contrôle et alimentation de l’installation
3.1.3 Points de fonctionnement
3.2 TECHNIQUES DE MESURE
3.2.1 PIV
3.2.2 PLIF-OH
3.2.3 PLIF-HAP
3.2.4 Mesure de température
3.2.5 LII
3.2.6 Diffusion angulaire à haute cadence
3.2.8 Mesures ex-situ par prélèvement
3.2.9 Couplage simultané des techniques de mesure optiques
CHAPITRE 4. DEVELOPPEMENT DES TECHNIQUES OPTIQUES
4.1 INTRODUCTION
4.2 INCANDESCENCE INDUITE PAR LASER AUTOCOMPENSEE
4.2.1 Introduction et motivation
4.2.2 Etalonnage
4.2.3 Acquisition et post-traitement des images pour les mesures de ??
4.2.4 Acquisition et post-traitement des images pour les mesures de ??
4.2.5 Mesure de taille des sphérules primaires des suies par TiRe-LII
4.2.6 Etude de l’impact de la largeur temporelle de la porte de la camera sur ??
4.2.7 Conclusion sur les développements de la LII
4.3 DIFFUSION ANGULAIRE HAUTE CADENCE EN DEUX DIMENSIONS
4.3.1 Description de la technique
4.3.2 Procédure d’analyse des données
4.3.3 Mise au point des caméras
4.3.4 Correction de la distorsion
4.3.5 Validation de la méthode sur un aérosol de référence
4.3.6 Evaluation de l’incertitude pour les mesures en flamme et choix du couple d’angles
4.3.7 Réduction de l’incertitude (filtrage du bruit)
4.3.8 Résultats
4.3.9 Conclusions et perspectives
4.4 DIFFUSION SPECTRALE
4.4.1 Contexte et motivations du développement
4.4.2 Principe théorique
4.4.3 Points de fonctionnement étudiés
4.4.4 Analyse des données brutes et résultats
4.4.5 Conclusions sur la diffusion spectrale
CHAPITRE 5. ANALYSE DES MECANISMES DE FORMATION DES PARTICULES DE SUIE
5.1 CHAMPS DE VITESSE
5.2 ANALYSE DES ZONES REACTIVES
5.3 MESURES DE TEMPERATURE
5.4 PRECURSEURS DE SUIE
5.4.1 Mesures non-couplées
5.4.2 Interactions avec l’écoulement et les distributions spatiales de OH et de température
5.5 FRACTIONS VOLUMIQUES DE SUIE
5.5.1 Champs moyens
5.5.2 Champs instantanés
5.5.3 Corrélations avec l’écoulement et les distributions spatiales de OH, des précurseurs et de la température
5.6 DIAMETRE DES PARTICULES PRIMAIRES
5.7 DIAMETRE ET CONCENTRATION EN NOMBRE DES AGREGATS DE SUIE PAR DIFFUSION ANGULAIRE 2D A HAUTE CADENCE
5.7.1 Analyse des diamètres des agrégats
5.7.2 Exploitation de l’amplitude ? pour la détermination de la concentration en nombre
5.7.3 Calcul et exploitation des distributions moyennées en temps
5.7.4 Comparaison avec les mesures ex-situ par SMPS
5.8 SCENARIO DE FORMATION ET DE CONSOMMATION DES PARTICULES DE SUIE DANS LE BRULEUR SIRIUS
CHAPITRE 6. CONCLUSION ET PERSPECTIVES
6.1 BILAN DES RESULTATS OBTENUS
ANNEXES
ANNEXE 1. SOUDURE DE THERMOCOUPLE
ANNEXE 2. FONCTION DE TRANSFERT DU SYSTEME DE DETECTION UTILISE POUR LA DIFFUSION SPECTRALE
ANNEXE 3. MOYENNES TEMPORELLES DES CHAMPS DE CONCENTRATION EN NOMBRE
REFERENCES BIBLIOGRAPHIQUES

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