Imagerie en temps-réel de microparticules en écoulement par transformée de Fourier dispersive – RIFT

De nombreuses applications industrielles sont aujourd’hui concernées par l’étude des jets et sprays liquides hautes vitesses, notamment dans le domaine de la production d’énergie ou des aérosols. Les contraintes environnementales actuelles, conjuguées à la diminution des ressources énergétiques, amènent ainsi à développer de nouvelles techniques de mesures pour optimiser ces procédés industriels. Dans le cadre de l’injection automobile haute-pression, l’augmentation actuelle des pressions d’injection dans les moteurs diesel conduit à des vitesses de liquide très élevées, rendant toute caractérisation détaillée impossible avec des instruments standards. Ces dernières années, de nombreux travaux ont été consacrés au suivi des jets hautes vitesses à l’aide de techniques d’imagerie basées sur des lasers infrarouges ultrarapides ou des sources à rayons X. Ces techniques sont toutefois intrinsèquement limitées technologiquement par les caractéristiques des détecteurs utilisés (CCD, CMOS) qui interdisent toute mesure en temps réel. Ces systèmes doivent en effet faire face au compromis classique entre sensibilité et vitesse d’acquisition. Dans le domaine de l’imagerie des jets liquides, les meilleurs systèmes atteignent ainsi de nos jours des taux d’acquisition de l’ordre de la centaine de kHz.

Afin de contourner ce véritable verrou technologique, une solution prometteuse consiste à utiliser une technique d’imagerie toute-optique basée sur le principe de dualité espace-temps. Cette technique, appelée STEAM (serial time-encoded amplified imaging), consiste à encoder une image dans le spectre d’une impulsion large bande générée par un laser ultrarapide puis à convertir cette information spectrale dans le domaine temporel afin de l’enregistrer à l’aide d’un système de détection à haute bande-passante. La conversion fréquence-temps est réalisée en étirant temporellement les impulsions dans un milieu purement dispersif (telle qu’une fibre optique), technique appelée transformée de Fourier dispersive (TFD).

Le projet RIFT vise à développer un système d’imagerie ultrarapide basé sur la TFD et dédiée à l’étude des sprays et jets hautes vitesses. Il s’agirait de la première fois à notre connaissance qu’un tel système, avec des taux d’acquisition supérieurs au MHz, sera utilisé dans le domaine de la combustion. Sa réalisation expérimentale permettra d’acquérir de nouvelles connaissances sur le comportement et les dynamiques ultrarapides mises en jeu dans les sprays lors des processus de combustion. Des paramètres auparavant inaccessibles, tels que la vitesse des gouttelettes de carburant ou la formation de ligaments liquides, pourront ainsi être suivi à l’aide de cette technique. La connaissance de ces paramètres permettra alors de fournir des renseignements précieux aux modèles numériques complexes développés actuellement et de pallier au manque de données expérimentales. La réalisation de ce système innovant apportera donc une avancée nette dans le domaine, avec comme objectif une meilleure compréhension des processus de combustion et, à plus long terme, la réalisation de moteurs plus efficaces énergétiquement.

Ce projet est intrinsèquement pluridisciplinaire et réunit des spécialistes reconnus des domaines de l’instrumentation optique, des sources lasers ultrarapides et de la mécanique des fluides, lui assurant une implémentation rapide et efficace, de la conception de la TFD à la réalisation du système d’imagerie dans des conditions industrielles. Notre architecture principalement fibrée sera en effet particulière intéressante dans des conditions expérimentales difficiles, du fait de sa robustesse et de sa stabilité face aux perturbations extérieures. Le projet RIFT et la réalisation d’une technique d’imagerie ultrarapide pour les processus de combustion soulèvera donc potentiellement un fort intérêt du secteur industriel, dans les milieux de l’automobile et de l’aérospatiale.