Progrès de la technique de mesure PLIF à deux couleurs

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1 Progrès de la technique de mesure PLIF à deux couleurs
Interaction of Droplets with HEAted Surfaces IDHEAS Progrès de la technique de mesure PLIF à deux couleurs Thermographie par fluorescence induite par plan laser Application aux interactions gouttes/parois chaudes Nouveautés dans la technique de mesure, parler de repositionnement, d’uniformité dans l’image, de linéarité des capteurs. La technique marche toujours, mais il s’agit de vérifier la reproductibilité. 15/06/2010, Vandoeuvre-les-Nancy

2 I. Principe de PLIF Intensité de fluorescence: Dépend de multiples
paramètres dont la température If: Intensité de fluorescence Kopt: constante dépendant des optiques Kspec: constante dépendant de facteur spectroscopiques Il: intensité laser c: concentration en traceur V: volume de mesure Β: sensibilité en température du traceur Intensité de fluorescence, intégration sur une bande spectrale: Petit rappel: Intensité de fluorescence reçue par les capteurs, dépend de multiples paramètres mais il dépend plus particulièrement de la température. On intègre la formule entre 2 bandes spectrales pour se débarasser de la dépendance en lambda, on fait apparaitre de nouveaux coefficients, correspondant à la sensibilité en température. Les coefficients A et B correspondant à des coefficients A1-A2 et B1-B2. On va ensuite faire sauter une première partie des constante en travaillant avec une deuxième caméra, ce qui nous permet, en divisant les deux champs d’intensité perçues de supprimer le volume de mesure ainsi que la concentration et l’intensité laser. Rapport de fluorescence: Suppression de c, V et Il, constantes difficiles à maitriser

3 Bandes spectrales utilisées:
I. Principe de PLIF Utilisation d’un rapport d’une référence R0 à T0 connu: Suppression des constantes optiques et spectroscopiques, dépendance unique en température Utilisation d ‘un rapport de référence pour se débarasser des constantes optiques et spectroscopiques. On a alors un rapport qui ne dépend que de T et des constantes correspondant à la sensibilité en température. On a ici des graphes avec d’un côté le spectres d’absorption ainsi que des spectres d’émission à différentes températures pour la fluorescéine utilisée. D’autre part, on a le spectre du beta du traceur, il nous suffit ensuite de selectionner des bandes spectrales recevant suffisamment de signal dans les spectres d’émission et présentant une différence de beta suffisamment importante pour conserver une bonne sensibilité en température. 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: nm nm Beta théorique: 950 °K-1

4 I. Principe de PLIF Schéma du montage expérimental de FIL Calcul du beta expérimental: 1024°K-1 Le montage de la technique LIF utilisé est le suivante: on tire avec le laser continu Nd-Yag a 532nm, puis on crée une nappe laser qui vient éclairer le volume de mesure, en l’occurrence le jet de gouttes, que l’on visualise avec l’aide d’un microscope longue distance, qui nous assure un champ de vision de l’ordre de quelques mm , on intercale un filtre coupe bande Notch pour supprimer la composante laser, puis l’on dispose une lame séparatrice, et devant chaque caméra un filtre déterminé précédemment. On a aussi rajouté un Polariseur pour se débarrasser de jets résiduels crée par la lame séparatrice. On effectue ensuite un première mesure d’étalonnage en température, On peut travailler en cuve, que l’on chauffe progressivement et dont on maitrise la température, puis l’on regarde l’évolution du rapport de fluorescence. D’après la formule précédente, en tracant la différence de logarithme du rapport moins le rapport de référence en fonction de l’inverse de température, on obtient une droite (d’après notre approximation) dont la pente correspond au beta, à notre sensibilité en température. Cependant, l’ajout d’une lame séparatrice pose quelques problèmes, notamment au niveau du repositionnement des images, le montage n’étant pas parfait. Utilisation de deux caméras et d’une lame séparatrice, --> problème de repositionnement des images

5 II. Repositionnement des images
Utilisation d’une mire pour visualiser le décalage entre les deux images des deux caméras, triplet (tx,ty,θ) à déterminer Auparavant, on repositionnait de la façon suivante: on utilisait une mire composée de multiples points que l’on visualisait avec les deux caméras, puis le décalage mesuré entre chacun des images nous donnait le repositionnement approximatif à appliquer aux images. Ce premier calcul de déplacement étant bien sur grossier, on affinait à la suite de ce premier repositionnement. On s’est rapidement rendu compte que notre technique de repositionnement utilisé à l’époque n’était pas suffisante. Il a fallu reprendre cette technique, et procéder différemment pour gagner en précision. Actuellement, on détermine le meilleur triplet (tx, ty, theta), qui permet de minimiser les écarts en intensité entre les deux images que l’on a normalisé auparavant. Cette nouvelle méthode permet d’obtenir des résultats bien plus satisfaisant, mais est encore loin d’être parfaite. Détermination d’une première approximation grossière du décalage entre les deux images , repositionnement imparfait, nécessite d’affiner le décalage. Affinage réalisé en minimisant l’écart d’intensité entre les deux images.

6 II. Repositionnement des images
Repositionnement optimisé pour chacun des jets Même repositionnement moyen pour chaque jets 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… Ici, on a effectué des séries de mesures d’un jet que l’on décalait et que l’on a superposé sur la même image. La figure de droite présente cette somme d’intensité au pour chaque jet, on a calculé un décalage qui lui est propre et qui donne dans l’ensemble des jets bien homogènes, et dont les rapports présentent des écart-types de l’ordre du 1%. Seulement, les repositionnements calculés pour chacun des jets diffèrent, ce qui est théoriquement illogique étant donné que toutes ces mesures ont été réalisés à la suite, elles devraient présentées dans l’ensemble des repositionnement très proches les uns des autres. Parmi les jets plutôt verticaux, on trouve un triplet de décalage d’environ [ ] avec des écarts relatifs entre les jets verticaux de plus ou moins 1 pixel alors que lesjets horizontaux présentent en règle général un repositionnement d’environ [ ]. On voit ensuite que lorsque l’on applique un même repositionnement moyens pour la totalité des jets, on a des imperfection au sein du rapport. On voit apparaitre quelques arc-en-ciel témoins d’un mauvais repositionnement. Conversion rapport / température -> Utilisation d’une référence

7 III. Utilisation d’une référence
Nécessite d’utiliser une référence pour convertir le rapport d’intensité en un champ de température. Test sur une référence réalisé dans une cuve. Stries dues à la cuve Rapport en cuve variant de 0.71 à 0.88 soit pas moins de 17°C de variation. Très grande inhomogénéité dans l’image, retrouvé dans les jets transverses. Aberrations optique Dû au montage optique -> Correction de la linéarité des caméras

8 IV. Correction de la linéarité des capteurs
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. Puissance laser décroissante Evolution des rapport de référence suivant l’intensité laser avec et sans correction

9 IV. Correction de la linéarité des capteurs
On voit clairement ici que la réponse des capteurs de la caméra est non linéaire, orsque l’intensité devient très importante, il y a une présence d’écart qui augmente. Cette courbe présente le niveau moyen, suivant la position des pixels sur la caméra, on aura des courbes relativement différentes. On applique une correction de la linéarité propre à chacun des pixels (regroupement de pixel). Cette courbe se réalise en visualisant une cuve que l’on éclaire avec la nappe laser et dont on ne change que la puissance du laser, que l’on relève alors. Evolution du niveau d’intensité moyen des pixels en 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.

10 V. Validation sur des jets isothermes
Rapport d’intensité pris dans des jets polydisperses pris à différentes positions et à même température On test ensuite la méthode sur des jets polydisperses isothermes (à température ambiante) et pris à différentes positions de l’image pour vérifier du bon fonctionnement de la méthode Quelque soit la position du jets dans l’image. Dans l’ensemble le rapport est bon dans le jets, on moyennant on obtient les mêmes rapports d’intensité à quelques degrés près, mais il y a assez souvent pour un même jets des gradients dans les jets, qui sont peut être encore du à des repositionnements imparfaits. C’est un des problèmes que l’on a encore, c’est de savoir si le repositionnement est reproductible. Ici on avait un rapport d’approximativement 0.9 dans les jets pour une température d’environ 20°C. Pour des jets polydisperses pris à différentes positions, on conserve un rapport dans l’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.

11 VI. Validation sur des jets chauffés
Acquisitions réalisées avec la prise de 200 images environ pour un temps d’ouverture De 150ms environ -> nécessité de travailler en régime stationnaire On valide ensuite sur des jets chauffés. On peut réguler la température d’injection, on procède de la même façon qu’en cuve lors de l’étalonnage sauf que l’on travaille sur des jets. On a un paramètre d’acceptation de pixel que l’on a ajouté, on relève en même temps lors de l’acquisition l’écart-type normalisé au sein de l’image pour vérifier que l’on a pas eu de divergence au cours du relevé de l’image, car l’on prend en tout pas moins de 200 images. Ici les résultats obtenus sont plutôt bons dans l’ensemble, on trouve des températures calculées proches de celles mesurées avec le thermocouple. Ecart-type normalisé au sein de l’image et divisé par la racine du nombre d’images prises Evolution de la température mesurée en fonction de la température calculé par LIF -> Critère de sélection des pixels utiles -> Fonctionnement de la méthode

12 VII. Validation sur différents impacts
Cas d’un film bouillonnant Cas d’un splashing vertical Cas d’un rebond

13 VIII. Conclusion On a mis en évidence un certain nombre de points durs. Le repositionnement, 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.