Spectre d'émission de la vapeur d'eau à haute température et haute pression autour de 0,9 µm Vincent PINA 1 – Pascale CHELIN 2 1 Laboratoire d’Energétique, de Mécanique et d’Electromagnétisme, Université Paris Ouest Nanterre-La Défense, 50 rue de Sèvres, 92410 Ville d’Avray 2 Laboratoire Interuniversitaire des Systèmes Atmosphériques, Université Paris-Est Créteil Val de Marne, 61 avenue du Général de Gaulle, 94010 CRETEIL Vendredi 2 juillet 2010 MC9 : Signatures IR des environnements astrophysiques à haute température

2. Dispositif expérimental Plan de l’exposé Contexte et objectifs 2. Dispositif expérimental - Chambre de combustion - Dispositif de mesures spectrales 3. Résultats et analyses - Spectres expérimentaux de la vapeur d’eau - Comparaisons Expérience/Modèle 4. Conclusions et perspectives / 18 Vendredi 2 juillet 2010 - MC9 : Signatures IR des environnements astrophysiques à haute température

Maitriser l’impact des effluents « polluants » sur l’environnement. 1. Contexte et objectifs - Contexte - Objectifs 2. Dispositif expérimental - Chambre de combustion - Dispositif de mesures spectrales 3. Résultats et analyses - Spectres expérimentaux de la vapeur d’eau - Comparaisons Expérience/Modèle 4. Conclusions et perspectives Contexte Maitriser l’impact des effluents « polluants » sur l’environnement. PREPHA : programme de recherche national sur le développement d’un superstatoréacteur à finalité spatiale (lanceur réutilisable). RAPIERE : Rapid Affordable Probe for Investigating the Efficiency of Ramjet Engines. Ce programme fait suite au programme PREPHA et a pour objectif d’améliorer les performances de combustion d’un statoréacteur mixte Kérosène/Hydrogène. / 18 Vendredi 2 juillet 2010 - MC9 : Signatures IR des environnements astrophysiques à haute température

1. Contexte et objectifs - Contexte - Objectifs 2. Dispositif expérimental - Chambre de combustion - Dispositif de mesures spectrales 3. Résultats et analyses - Spectres expérimentaux de la vapeur d’eau - Comparaisons Expérience/Modèle 4. Conclusions et perspectives Objectifs Modéliser précisément le spectre de la molécule H2O à haute pression et haute température. Utiliser ces données pour l’optimisation des rendements de combustion et donc pour mieux maîtriser la production des polluants. / 18 Vendredi 2 juillet 2010 - MC9 : Signatures IR des environnements astrophysiques à haute température

Réflexions sur le choix du dispositif expérimental 1. Contexte et objectifs - Contexte - Objectifs 2. Dispositif expérimental - Chambre de combustion - Dispositif de mesures spectrales 3. Résultats et analyses - Spectres expérimentaux de la vapeur d’eau - Comparaisons Expérience/Modèle 4. Conclusions et perspectives Réflexions sur le choix du dispositif expérimental Afin de maitriser à la fois les conditions de températures et de pressions élevées, nous nous sommes initialement intéressés aux cellules à gaz en mode « statique » : Cellule « Alcatel 1 » (1992) : tube en quartz, hublots en saphir, assemblage par ressorts, chauffage à l’aide d’un four cylindrique à résistances [CO2, Pression atmosphérique ; T < 1000 K] Cellule « Alcatel 2 » (1997) : tube en platine, hublots en saphir fixés par thermo-compression, chauffage à l’aide d’un four à induction [Jacquot 1997] [CO2, Pression atmosphérique ; T < 1100 K] [Jacquot 1997] Olivier JACQUOT, Etude du profil de températures et concentrations dans une flamme par spectroscopie infrarouge , Thèse de doctorat, Université Paris Ouest, 9 juillet 1997 / 18 Vendredi 2 juillet 2010 - MC9 : Signatures IR des environnements astrophysiques à haute température

Cellule « Auxitrol » (1999) : 1. Contexte et objectifs - Contexte - Objectifs 2. Dispositif expérimental - Chambre de combustion - Dispositif de mesures spectrales 3. Résultats et analyses - Spectres expérimentaux de la vapeur d’eau - Comparaisons Expérience/Modèle 4. Conclusions et perspectives Cellule « Auxitrol » (1999) : Tube en inox, hublots en saphir, résistances chauffantes. CO2 Pression atmosphérique 298 K < T < 720 K [Vally 1999] [Vally 1999] Johana VALLY, Etude du spectre d’émission infrarouge des gaz de combustion : application à la mesure de température de gaz et de concentration de CO2, Thèse de doctorat, Université Paris Ouest, 2 mars 1999 / 18 Vendredi 2 juillet 2010 - MC9 : Signatures IR des environnements astrophysiques à haute température

Bilan sur les cellules à gaz en mode « statique » 1. Contexte et objectifs - Contexte - Objectifs 2. Dispositif expérimental - Chambre de combustion - Dispositif de mesures spectrales 3. Résultats et analyses - Spectres expérimentaux de la vapeur d’eau - Comparaisons Expérience/Modèle 4. Conclusions et perspectives Bilan sur les cellules à gaz en mode « statique » Principales difficultés rencontrées : problèmes d’étanchéité problème de stabilisation en température Ces difficultés ne nous permettent pas encore de développer des cellules à gaz en mode « statique » pour des températures supérieures à 1100 K. Finalement, nous avons décidé de réaliser une chambre de combustion du même type que celles utilisées en détonique. Néanmoins, l’inconvénient principal de ce type de chambre est que la production de la vapeur d’eau s’effectue de façon « instationnaire » par la combustion d’un mélange H2/O2/N2. / 18 Vendredi 2 juillet 2010 - MC9 : Signatures IR des environnements astrophysiques à haute température

La chambre de combustion 1. Contexte et objectifs - Contexte - Objectifs 2. Dispositif expérimental - Chambre de combustion - Dispositif de mesures spectrales 3. Résultats et analyses - Spectres expérimentaux de la vapeur d’eau - Comparaisons Expérience/Modèle 4. Conclusions et perspectives La chambre de combustion Principaux éléments Tube en inox : longueur : 600 mm fextérieur : 200 mm épaisseur : 25 mm 2 brides en inox Pmax : 200 bar Hublots en saphir / 18 Vendredi 2 juillet 2010 - MC9 : Signatures IR des environnements astrophysiques à haute température

Les différentes phases d‘évolution du front de flamme 1. Contexte et objectifs - Contexte - Objectifs 2. Dispositif expérimental - Chambre de combustion - Dispositif de mesures spectrales 3. Résultats et analyses - Spectres expérimentaux de la vapeur d’eau - Comparaisons Expérience/Modèle 4. Conclusions et perspectives Les différentes phases d‘évolution du front de flamme Durée de propagation de la flamme : qq ms (H2/O2) à qq dizaines de ms (H2/air) / 18 Vendredi 2 juillet 2010 - MC9 : Signatures IR des environnements astrophysiques à haute température

Le dispositif de mesures spectrales 1. Contexte et objectifs - Contexte - Objectifs 2. Dispositif expérimental - Chambre de combustion - Dispositif de mesures spectrales 3. Résultats et analyses - Spectres expérimentaux de la vapeur d’eau - Comparaisons Expérience/Modèle 4. Conclusions et perspectives Le dispositif de mesures spectrales Le dispositif de mesures spectrales à haute résolution : - un spectromètre à réseau SOPRA UHRS F1150 de focale 1150 mm - une caméra CCD (refroidie LN2 ) modèle Spec-10:400B de Princeton Instruments (pixels carrés de 20 µm dont la répartition est 1340 x 400). Fréquence d’acquisition = ~ 200 spectres par seconde / 18 Vendredi 2 juillet 2010 - MC9 : Signatures IR des environnements astrophysiques à haute température

Calibrations et fonction d’appareil 1. Contexte et objectifs - Contexte - Objectifs 2. Dispositif expérimental - Chambre de combustion - Dispositif de mesures spectrales 3. Résultats et analyses - Spectres expérimentaux de la vapeur d’eau - Comparaisons Expérience/Modèle 4. Conclusions et perspectives Calibrations et fonction d’appareil Calibration spectrale et mesure de la fonction d’appareil : utilisation d’une lampe néon de type UVP Pen-Ray 6032 comme source de référence spectrale ainsi que la banque de données des spectres atomiques du NIST Calibration en intensité : utilisation d’un corps noir Fonction d’appareil - domaine centré à 10416 cm-1 Résolution de 0,3 cm-1 sur le domaine [10332 cm-1 - 10496 cm-1] / 18 Vendredi 2 juillet 2010 - MC9 : Signatures IR des environnements astrophysiques à haute température

Mélange stœchiométrique H2-air 1. Contexte et objectifs - Contexte - Objectifs 2. Dispositif expérimental - Chambre de combustion - Dispositif de mesures spectrales 3. Résultats et analyses - Spectres expérimentaux de la vapeur d’eau - Comparaisons Expérience/Modèle 4. Conclusions et perspectives Sélection du spectre Sélection du spectre qui correspond à la pression maximale (pression « stable » en fin de combustion et intensité due uniquement à la vapeur d’eau produite lors de la combustion). Mélange stœchiométrique H2-air Pmax = 8,8 bar / 18 Vendredi 2 juillet 2010 - MC9 : Signatures IR des environnements astrophysiques à haute température

Evolution du spectre en fonction de la pression 1. Contexte et objectifs - Contexte - Objectifs 2. Dispositif expérimental - Chambre de combustion - Dispositif de mesures spectrales 3. Résultats et analyses - Spectres expérimentaux de la vapeur d’eau - Comparaisons Expérience/Modèle 4. Conclusions et perspectives Evolution du spectre en fonction de la pression Pi bar Pf bar T ms 0,39 1,97 54,2 0,77 3,93 53,7 1,50 8,93 55,2 3,00 19,83 64,2 5,96 38,26 87,4 10,88 61,40 191,4 / 18 Vendredi 2 juillet 2010 - MC9 : Signatures IR des environnements astrophysiques à haute température

Comparaisons Expérience/Modèle 1. Contexte et objectifs - Contexte - Objectifs 2. Dispositif expérimental - Chambre de combustion - Dispositif de mesures spectrales 3. Résultats et analyses - Spectres expérimentaux de la vapeur d’eau - Comparaisons Expérience/Modèle 4. Conclusions et perspectives Comparaisons Expérience/Modèle Notre modèle raie par raie basé sur l’équation de transfert radiatif en mode 1D (pas de calcul optimal de 0,01 cm-1) [Al Khoury 2005] utilise : - Des profils de raies Lorentziens - Les paramètres spectroscopiques de H2O issus des bases de données HITEMP [Rothman 1995] et BT2update [Barber 2006] Les paramètres thermodynamiques liés à la combustion dans la cellule (la modélisation de la combustion réalisée en collaboration avec le LCSR nous permet de déterminer notamment les distributions de températures et de fraction molaire [Chelin 2005] ) [Al Khoury] P. AL KHOURY, Algorithmes géométriques de résolution des moindres carrés non linéaires et problèmes inverses en spectroscopie des flammes, Thèse de doctorat, Université Paris Ouest, 4 mars 2005 [Barber 2006] R. J. BARBER, J. TENNYSON, G. J. HARRIS, R. N. TOLCHENOV, A high-accuracy computed water line list, Mon. Not. R. Astron. Soc., vol. 368, pp. 1087-1094, 2006 [Chelin 2005] P. CHELIN, C. CAMY-PEYRET, V. PINA, P. AL KHOURY, D. DAVIDENKO, Emission spectroscopy of hot water vapor from H2-air deflagrative combustion in a closed cylinder, Combustion and Flame, vol. 140, pp. 319-331, 2005 [Rothman 1995] L. S. ROTHMAN, R. B. WATTSON, R. R. GAMACHE, J. SCHROEDER, A. McCANN, HITRAN HAWKS and HITEMP High-Temperature Molecular Database, SPIE Proceedings, vol. 2471, n°14, pp. 105-111, 1995 / 18 Vendredi 2 juillet 2010 - MC9 : Signatures IR des environnements astrophysiques à haute température

Comparaisons Expérience/Modèle 1. Contexte et objectifs - Contexte - Objectifs 2. Dispositif expérimental - Chambre de combustion - Dispositif de mesures spectrales 3. Résultats et analyses - Spectres expérimentaux de la vapeur d’eau - Comparaisons Expérience/Modèle 4. Conclusions et perspectives Comparaisons Expérience/Modèle 3,89 bar et 2570 K / 18 Vendredi 2 juillet 2010 - MC9 : Signatures IR des environnements astrophysiques à haute température

Comparaisons Expérience/Modèle 1. Contexte et objectifs - Contexte - Objectifs 2. Dispositif expérimental - Chambre de combustion - Dispositif de mesures spectrales 3. Résultats et analyses - Spectres expérimentaux de la vapeur d’eau - Comparaisons Expérience/Modèle 4. Conclusions et perspectives Comparaisons Expérience/Modèle 19,7 bar et 2710 K / 18 Vendredi 2 juillet 2010 - MC9 : Signatures IR des environnements astrophysiques à haute température

Comparaisons Expérience/Modèle 1. Contexte et objectifs - Contexte - Objectifs 2. Dispositif expérimental - Chambre de combustion - Dispositif de mesures spectrales 3. Résultats et analyses - Spectres expérimentaux de la vapeur d’eau - Comparaisons Expérience/Modèle 4. Conclusions et perspectives Comparaisons Expérience/Modèle 8,83 bar et 2640 K Nb de raies : x16 / 18 Vendredi 2 juillet 2010 - MC9 : Signatures IR des environnements astrophysiques à haute température

Conclusions et perspectives 1. Contexte et objectifs - Contexte - Objectifs 2. Dispositif expérimental - Chambre de combustion - Dispositif de mesures spectrales 3. Résultats et analyses - Spectres expérimentaux de la vapeur d’eau - Comparaisons Expérience/Modèle 4. Conclusions et perspectives Conclusions et perspectives Les comparaisons réalisées entre les spectres mesurés et ceux modélisés à partir des bases de données sont globalement satisfaisantes bien que celles obtenues grâce à la base de données BT2update montrent de bien meilleures similitudes (notamment sur les intensités). Ces premiers résultats nous encouragent à poursuivre ces travaux. Les prochaines étapes consisteront donc d’une part à étendre le domaine spectral d’étude et d’autre part à reprendre l’étude sur la molécule de CO2 voire d’envisager l’étude d’autres molécules (CH4 …). Remerciements : Nous tenons à remercier chaleureusement Claude CAMY-PEYRET, Philippe AL KHOURY, Dimitri DAVIDENKO, L.S. ROTHMAN et I. GORDON pour leurs précieuses collaborations. / 18 Vendredi 2 juillet 2010 - MC9 : Signatures IR des environnements astrophysiques à haute température