Development and Application of Simultaneous 2D Flow Velocity And
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Development and application of simultaneous 2D flow velocity and gas temperature measurements using thermographic phosphors under engine-relevant conditions Valerio Frattina To cite this version: Valerio Frattina. Development and application of simultaneous 2D flow velocity and gas tempera- ture measurements using thermographic phosphors under engine-relevant conditions. Chemical and Process Engineering. Université Paris-Saclay; Universität Duisburg-Essen, 2019. English. NNT : 2019SACLC073. tel-02466375 HAL Id: tel-02466375 https://tel.archives-ouvertes.fr/tel-02466375 Submitted on 4 Feb 2020 HAL is a multi-disciplinary open access L’archive ouverte pluridisciplinaire HAL, est archive for the deposit and dissemination of sci- destinée au dépôt et à la diffusion de documents entific research documents, whether they are pub- scientifiques de niveau recherche, publiés ou non, lished or not. 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Development and application of 073 C simultaneous 2D flow velocity and gas temperature measurements : 2019SACL using thermographic phosphors NNT under engine-relevant conditions Thèse de doctorat de l’Université de Duisburg-Essen et de l'Université Paris- Saclay, préparée à CentraleSupélec École doctorale n°579 Sciences Mécaniques et Energétiques, Matériaux et Géosciences Spécialité de doctorat : Energétique Thèse présentée et soutenue à Duisburg, le 21/10/2019, par Valerio Frattina Composition du Jury : Christine Rousselle Professeur, Université Orléans (PRISME) Président Thierry Schuller Professeur, Université Toulouse III (IMFT) Rapporteur Benoit Fond Maitre de conférences, Université de Magdeburg (OVGU) Examinateur Sebastian Kaiser Professeur, Université de Duisbourg-Essen (IVG) Examinateur Gilles Bruneaux Ingénieur de Recherche, IFPEN Directeur de thèse Christof Schulz Directeur de Recherche, Université de Duisbourg-Essen (IVG) Directeur de thèse Titre : Développement et application d'une technique de diagnostic optique pour des mesures 2D et non-intrusives de température et de vitesse des gaz en condition moteur Mots clés : température, PIV, phosphore, diagnostique optique, Résumé : Dans le cadre de cette thèse, une tech- Les mesures ont été effectuées à un régime mo- nique de diagnostic optique a été développée teur de 1200 tr/min avec une fréquence d'échan- pour mesurer simultanément la température et la tillonnage de 10 Hz entre 180 et 540°vil sans vitesse de gaz dans un moteur thermique trans- combustion. parent. Les champs de température et de vitesse ont été La technique de la PIV-thermographique (T- mesurés avec succès à différents angles vilebre- PIV) combine la thermométrie par phosphores- quin pendant la phase de compression et de dé- cence et la vélocimétrie par image de particules tente. Les champs de température obtenus expé- (PIV) et offre la possibilité de mesurer simulta- rimentalement sont comparés aux températures nément la température et la vitesse du gaz. Le obtenues à partir d'une simulation 0D montrant matériau luminophore approprié a été choisi en un écart de température d'environ 1% (200°vil) testant trois luminophores disponibles dans le et de 14% (480°vil) par rapport au modèle de si- commerce : BAM:Eu2+, ZnO et ZnO:Zn. mulation. La précision de mesure estimé est de 55 K (18%) à 300 K et de 2 K (0.3%) à 614 K L'émission lumineuse et la réponse spectrale à sur une moyenne de 200 cycles. divers paramètres, y compris la température, ont été mesurées dans un écoulement gazeux ense- La T-PIV a également été testé pour mesurer la mencé de particules afin de reproduire les con- température des gaz en post-combustion. Dans ditions rencontrées typiquement dans un mo- ce cas, les mesures étaient impossibles, proba- teur. Cela à permis d’obtenir une courbe d'éta- blement en raison d’une dégradation du maté- lonnage dépendante de la température à utiliser riau luminophore utilisé qui ne résiste pas aux dans les expériences sur moteur. Les particules températures élevées de la combustion. Les de ZnO:Zn montrent une sensibilité relative- perspectives de développements futurs qui ré- ment plus forte à la température permettant une sultent de ces résultats sont la sélection d’un lu- précision plus élevée sur la mesure de tempéra- minophore capable de résister à plus hautes tem- ture. pératures. Pour ces raisons, le ZnO:Zn a été choisi comme Enfin, la technique montre un grand potentiel de candidat approprié pour les mesures dans le mo- développement dans un environnement moteur. teur transparent. Université Paris-Saclay Espace Technologique / Immeuble Discovery Route de l’Orme aux Merisiers RD 128 / 91190 Saint-Aubin, France Title: Development and application of simultaneous 2D flow velocity and gas temperature measure- ments using thermographic phosphors under engine-relevant conditions Keywords: Thermographic PIV, thermographic phosphor, temperature, laser diagnostics Abstract: A non-intrusive laser diagnostics Measurements were performed in an internal technique has been developed for simultaneous combustion engine at a speed of 1200 rpm with measurements of velocity and gas temperature a sampling rate of 10 Hz between 180 and in optically accessible internal combustion en- 540°CA under motored conditions. The temper- gines. The technique, thermographic PIV ature and velocity fields were measured success- (T-PIV) combines phosphor thermometry and fully at various times throughout the compres- particle image velocimetry (PIV) and offers the sion and the exhaust stroke. The obtained tem- possibility of simultaneous measurement of gas perature fields are compared with simulated temperature and velocity. bulk-gas temperatures from a 0D model-based simulation showing a temperature deviation of Suitable phosphor materials were selected by around 1% (200°CA) to 14% (480°CA) from the testing three commercially available phosphors: model. The measurement accuracy was found to BAM:Eu2+, ZnO and ZnO:Zn. The lumines- be 55 K (18%) at 300 K and 2 K (0.3%) at 614 K cence emission and the spectral response to var- for the 200-cycles average. ious parameters including temperature were measured yielding a temperature-dependent cal- The potential of the diagnostics was tested also ibration curve to be used for signal interpreta- in in cylinder post-combustion gases. In this tion in engine experiments. The ZnO:Zn phos- case, the diagnostics was failing probably due to phor shows the highest sensitivity to tempera- the characteristics of the phosphor used, which ture allowing higher temperature precision. does not seem to resist to high combustion tem- Therefore, ZnO:Zn phosphor was chosen as the peratures degrading its luminescence properties. suitable candidate for engine measurements. The potential of T-PIV in post-combustion gases remains under the conditions of finding more resistant phosphor particles. Université Paris-Saclay Espace Technologique / Immeuble Discovery Route de l’Orme aux Merisiers RD 128 / 91190 Saint-Aubin, France Titel: Entwicklung und Anwendung einer simultanen, 2D-Geschwindigkeits-, und Temperaturmessmethode mittels thermographischer Phosphore unter motorischen Bedingungen Schlüsselwörter : Thermographische PIV, thermographischer Phosphor, Temperatur, Laserdiagnostik Zusammenfassung: In der vorliegenden Arbeit In einem Verbrennungsmotor wurden wurde eine nicht-intrusive Methode der Temperaturmessungen bei 1200 U/min und 10 Laserdiagnostik zur simultanen Messung von Hz unter geschleppten Bedingungen zwischen Gasgeschwindigkeit und -temperatur in einem 180°KW und 540°KW durchgeführt. optisch zugänglichen Verbrennungsmotor Geschwindigkeit und Temperatur des Gases entwickelt und getestet. Diese Messmethode der wurden an mehreren Kurbelwinkeln während thermographischen PIV (T-PIV) kombiniert des Verdichtungs- und Expansionstaktes Phosphorthermometrie mit Particle Image gemessen und die Gastemperatur mit der Velocimetry (PIV) und ermöglicht die Restgastemperatur einer 0D Simulation simultane Messung von Geschwindigkeit und verglichen. Die Abweichung zwischen Mess- Temperatur eines Gases. und Simulationsergebnissen beträgt 1% (200°KW) und 14% (480°KW). Die Im Verlauf der Arbeit wurden drei kommerziell Messgenauigkeit für den Mittelwert über 200 verfügbare Phosphormaterialien für die Messzyklen beträgt 55 K (18%) bei 300 K und Motorexperimente getestet: BAM:Eu2+, ZnO 2 K (0.3%) bei 614 K. and ZnO:Zn. Die optischen Eigenschaften und die Spektralantwort des Phosphors auf Die Messmethode wurde außerdem zur Parametervariationen wie Restgastemperaturmessung im gefeuerten Temperaturänderungen wurden gemessen. Betrieb des optischen Motors angewandt. Daraus wird eine temperaturabhängige Jedoch konnte unter diesen Bedingungen keine Kalibrationskurve erstellt, die zur validen Messungen durchgeführt werden, da der Temperaturmessung im Motor dient. Der Phosphor möglicherweise bei Phosphor ZnO:Zn wurde für Verbrennungstemperaturen degradiert und die Temperaturmessungen im Motor ausgewählt, da Lumineszenz-Eigenschaften verändert werden. die optischen Eigenschaften des Phosphors die Eine erfolgreiche Anwendung von T-PIV unter größte Sensitivität zu Temperaturänderungen motorischen Bedingungen wird künftig unter aufweisen. der Voraussetzung möglich sein, dass verbrennungsresistente Phosphormaterialien gefunden werden. Université Paris-Saclay Espace Technologique / Immeuble Discovery Route de