Rayonnement thermique : Aspects fondamentaux et applications (RAY)

Défi scientifique :

Le thème porte sur l’étude des propriétés thermooptiques des solides, liquides, gaz et particules. Les objectifs concernent la connaissance des lois physiques régissant les propriétés du rayonnement et les applications aux transferts thermiques et aux problèmes de mesure des températures dans ces milieux mono ou polyphasiques.
Le but fondamental de l’équipe est de déterminer des lois physiques sur les propriétés thermooptiques des solides, liquides et gaz.
Pour les solides et liquides il s’agit sur la plus large gamme de températures de déterminer les paramètres fondamentaux : spectres d’émissivité permettant d’obtenir ceux d’indice complexe qui donnent accès à la fréquence plasma, la fréquence de relaxation et à la masse optique. Ces 3 paramètres sont au carrefour des propriétés thermiques et électriques.
Sur les gaz on étendra la caractérisation des raies des gaz à haute température (jusqu’à 3500K) et autres pressions (jusqu’à 100 bars) et leur modélisation portant sur leur intensité et leur élargissement avec la pression et la température. Ce domaine semble avoir été très peu étudié, peut-être à cause de la complexité des moyens de mesure nécessaires.
Enfin les particules seront une application des propriétés étudiées sur les solides ou les liquides, la spécificité étant la détermination par voie optique de leur granulométrie.

Enjeux sociétaux
La détermination des températures des solides et des gaz a des applications directes dans le monde aérospatial et automobile pour améliorer les rendements tout en maitrisant les reflets polluants tels que les NOx. De même pour les gaz la télédétection de polluants tels que H2S intéresse aussi bien la sécurité des raffineries et plateformes pétrolières que les dégagements bien connus sur les côtes bretonnes.

Dans les applications de pyrométrie en volcanologie, c’est aussi la protection des populations civiles qui peut être mieux assurée par la détermination in situ de la température de la coulée de lave, donc de sa viscosité et donc de la prévision de l’étendue de la coulée. La toxicité est elle reliée à la détection des gaz et de leur composition.

Enfin, on peut aussi souligner une application originale des terahertz qui permettrait de faire apparaître des fresques masquées par la chaux ou d’étudier les phases successives de repeints sur un tableau, plus en phase donc, avec notre Université SHS.
 

Doctorants :

Romain PAWELKO, Xingkai WANG, Julien Pierre OFFRET, Lorris NAVELLO

Postdoctorants et ATER:

Tanguy DAVIN

ingénieur :

Jérémy LEBEDINSKY (coopération LASUR)

Mots clés :

Rayonnement, pyrométrie, thermographie, granulométrie, physique du solide et des gaz, combustion, environnement, volcanologie.

Résultats marquants :

La spécificité de l’équipe porte d’une part sur sa pluridisciplinarité qui joint la connaissance des transferts thermiques par rayonnement, conduction et convection à celles de l’optique physique et à des liaisons avec la mécanique. L’équipe a une forte activité expérimentale sur un domaine de longueurs d’onde particulièrement large (de l’UV aux terahertz) et avec des temps de mesure pouvant atteindre les picosecondes dans un domaine de températures allant de 10K à 3500K
 

Projet scientifique :

Les objectifs principaux ont été identifiés pour les prochaines années.

Objectif 1 : Propriétés fondamentales du rayonnement.
On s’intéresse particulièrement aux changements de phase de 1er et 2e ordre, aux surfusions et aux retards éventuels à la solidification. Les passages des phases stables à métastables seront aussi étudiés.

Atouts, opportunité et positionnement.
L’étude de ces propriétés en phase condensée et gazeuse bénéficiera des moyens de mesure originaux et très diversifiés déjà opérationnels (10k-3500k, de l’UV à 1000 pm) avec des temps de mesure de quelques picosecondes. Ces moyens expérimentaux intéressent de nombreux acteurs institutionnels (ESA, CNES, CEA…) ou industriels (TOTAL, GDF, Saint Gobain, MBDA…) et cet intérêt s’est amplifié ces dernières années.

Objectif 2 : Mesure des températures des solides et des liquides.
Ces développements qui font directement appels aux études fondamentales citées plus haut (brevet pyrométrie dans l’UV, brevet pyrométrie en polarisation, thermographie impulsionnelle) seront poursuivis car c’est le lien le plus direct avec l’industrie et permettent aussi d’améliorer la précision sur la détermination des paramètres fondamentaux du rayonnement.

Atouts, opportunité et positionnement.
Le laboratoire a développé 3 brevets ce qui lui assure une position originale dans le monde industriel. En 2013 des études sont programmées pour Air Liquide, Eurocopter, Saint- Gobain, Aubert Duval et un nouveau partenariat avec la Chine(Pékin) sur les propriétés thermooptiques aux très hautes températures. La volcanologie sera financée sur les fonds propres de l’équipe.

Objectif 3 : Détermination des champs de température et de concentration des effluents gazeux contenant ou non des particules.
Ces études s’appuieront sur le matériel reçu fin 2012 pour l’étude DGA et l’étude CEA sur la combustion sodium-eau. Ce matériel permet d’exploiter le brevet pris en 2010 sur la conjugaison d’une méthode par émission à celle d’un lidar. L’effort en 2013 portera avec l’appui de l’INRIA sur l’inversion de l’équation de transfert radiatif dans un nuage.

Atouts, opportunité et positionnement.
L’équipe lèvera les années prochaines le « verrou technologique » de la détermination sans contact d’un champ de température, gaz, des concentrations et des vitesses de particules.
Ces études sont faites en collaboration avec l’équipe du laboratoire FEMTO basée à Belfort (échange de doctorants, pré matériel communs…) Le programme commun REI CELEP porté par notre équipe sera adhéré en 2013 et de nombreuses applications sont prévues (statoréacteurs avec SNECMA, combustion avec GDF, échappements avec FAURECIA et volcanologie). Les applications de détection de gaz pour la sécurité et la toxicité sont prévues avec GDF (gaz de bois) et TOTAL (H2S et S02)
Enfin deux études avec le CEA : caractérisation de la combustion sodium eau avec le CEA SACLAY et étude d’un tube à choc avec le CEA GRAMAT

Objectif 4 : Thermomécanique
Les études avec LMS (polytechnique Paris) seront poursuivies avec pour objectif la détermination du coefficient de Taylon-Quiney sur des métaux et des diélectriques

Atouts, opportunité et positionnement.
Etude de la projection plasma avec LERMPS (Université technologique de Belfort) pour comprendre le mécanisme d’adhérence de particules sur un substitut : Applications envisagées : prothèses de hanche, protection thermique des turbines.
Partenariat prévu avec le laboratoire CAVENDISCH CAMBRIDGE sur les alliages nickel aluminium.
 

Collaborations Universitaires :

Partenaires Industriels :

Contact :

bserio@parisnanterre.fr

Mis à jour le 15 décembre 2015