Anemometrie doppler-laser haute-puissance dans un jet de plasma

LETTERS IN HEAT AND MASS TRANSFEI~ Volume/+, Pages 1/.1-1/-,8, Pergamon P r e s s , 1977. Printed in Gt. Britain.

ANEMOMETRIE

DOPPLER-LASER

HAUTE-PUISSANCE

DANS UN JET DE PLASMA

G. GOUESBET, M. TRINITE Laboratoire de Thermodynamique Facult~ des Sciences et des Techniques de Rouen B.P. 67 76130 MONT-SAINT-AIGNAN France

(~cated

b y E.A. Brun)

ABSTRACT A high power Doppler-laser anemometer is used to study an argon and helium plasma jet. Mean velocities are measured.Coupled with dynamic pressure measurements, these results allow us to obtain atomic and ionic temperatures. At last, periodic fluctuations measurements are also made.

Introduction

L'an~mom~trie

Doppler-laser

s'est d4velopp~e

mentales

de plus en plus complexes,

moyennes

et de fluctuations

ment, Barrault

en particulier

de vitesses

131 obtient des vitesses

5

11,21 . Plus r~cem-

moyennes dans un arc, en utilisant les signaux Doppler.

des mesures de vitesse de particules

che haute-fr4quence

exp~ri-

pour la mesure de vitesses

dans des flammes

laser ~ argon ionis4, et en photographiant nous-m~mes

dans des situations

diffusantes

~ l'aide d'un laser de faible puissance

Nous obtenons

141 dans une tor(laser He-Ne,

mW). Nous pr4sentons

haute-puissance

ici des r~sultats obtenus par an~mom4trie

dans cette torche haute~fr~quence,

l'aide d'une chalne automatique

d'acquisition

141

un

Doppler-laser

le signal 4tant analys4

et de traitement

des donn~es.

142

G. G O , ~ R h e t a I ~ M .

I. Mesure I.I

des vitesses

mo~ennes

: Le p l a s m a d'argon

par un g ~ n ~ r a t e u r silice vertical de q u a t r e

spires p a r c o u r u

Nous p r ~ s e n t e r o n s du tableau

STEL,

int~rieur

~riodi~ues

obtenus

de p u i s s a n c e

5 kW, dans

un tube de

alternatif pour

est un sol~noide

de i Aef f ~ % 5 MHz.

]es trois

D4bits

conditions

d'h41ium

i/mn

D4bits

1

21,1

0

D~bits

2

21,2

0,3

D4bits

3

21,2

0,7

W

OI~'IOUE

SF

FLI

I

I"3

I~£ FOCALISATION ~'~ I n d u c t e u r

..... Far sdly

O~rlOUE

COI.LECTRIC E (F~guro dana 14 plan h o r l z o n l a l )

Montage

1)

atmosph~rique

D4bits d ' a r g o n i/mn

Tableau

(figure

& pression

I.

Num4ro de code

4, No.

est p r o d u i t

~ 3 cm. L ' i n d u c t e u r

par un courant

les r~sultats

Vol.

et des fluctuations

et d ' h ~ l i u m

haute-fr~quence

de diam~tre

~inite

FIG. 1 experimental

de d~bit

2

Vo1.

4, NO. 2

1.2

D ~ I A S E R

: L'ensemencement

ne d ~ s h y d r a t ~ e

N

~

S~IES

143

: le p l a s m a est e n s e m e n c ~ en p a r t i c u l e s

d'alumi-

~ l'aide d ' u n v i b r e u r V qui fait tomber une p o u d r e P r o l a b o

dite i m p a l p a b l e plasmag~ne.

A

dans un c y l i n d r e p a r c o u r u

Les p a r t i c u l e s

~ contre-courant

dont la v i t e s s e

par le fluide

limite de chute est i n f 4 r i e u r e

la v i t e s s e du fluide sont entraZn4es. Les p a r t i c u l e s

entrain~es

ont ~t4 p r 4 1 e v ~ e s

~ leur sortie du tube de

silice et examinees au m i c r o s c o p e o p t i q u e : leur d i a m ~ t r e Le p l a s m a ~tant un fluide tr~s v i s q u e u x p o u r T L ~ 5 000 K), ces p a r t i c u l e s Nous avons c a l c u l 4

est e n v i r o n de 5 ~m. -3 (viscosit~ d y n a m i q u e ~ ~ 2.10 Po

s u i v e n t le fluide en v i t e s s e moyenne.

le r a p p o r t d ' a m p l i t u d e

n de H j e l m f e l t

fonction de la fr~quence de t u r b u l e n c e p o u r d i f f 4 r e n t s cules.

Nous c o n c l u o n s

Le d~bit m a s s i q u e

inf~rieures

des p a r t i c u l e s

On a v 4 r i f i ~ que leur p r e s e n c e ne p e r t u r b a i t et des ions du plasma.

toutes

choses

1.3

2/2)

~gales par ailleurs.

: Le m o n t a g e 1.3.1

optique

: L'optique

sans particules,

Les p r o f i l s o b t e n u s

choisi est un m o n t a g e

nm. Les lentilles

t~me afocal

LI

faisant p a s s e r

~galement

la t e m p 4 r a t u r e

des

la r ~ p a r t i t i o n

des

et avec particules, sont identiques.

interf4rentiel

de f o c a l i s a t i o n

La source est un laser ~ k r y p t o n 647,1

pas

Pour cela, nous avons m e s u r ~ (pu

de parti-

est de l'ordre d ' u n milligram_me par se-

conde.

relatives

doivent

J51 en

& 2 00 Hz.

atomes

press ions d y n a m i q u e s

diam~tres

de ces calculs que les p a r t i c u l e s

suivre des f l u c t u a t i o n s t u r b u l e n t e s

et M o c k r o s

ionis4

(fl : 5 cm) et L2 le d i a m ~ t r e

permettra

de c o n c e n t r e r

l'~nergie

croissant

la r ~ s o l u t i o n

spatiale

fournissant

(f2 : 15 cm)

800 m W sur

constituent

du faisceau ~ ~ 5 mm ~

un sys-

(I/e2), ce qui

dans un plus p e t i t d o m a i n e de l'espace, de l ' a n ~ m o m ~ t r e

ac-

et le r a p p o r t s i g n a l / b r u i t

des s i g n a u x Doppler. Le s ~ p a r a t e u r FL2 d i s t a n t s

de f a i s c e a u x S F fournit deux f a i s c e a u x p a r a l l ~ l e s

de 2 cm que la lentille L3

est crY4 un champ d ' i n t e r f ~ r e n c e s d'alumine

traversant

fait c o n v e r g e r

diffusent

La m e s u r e de cette

une mesure de la c o m p o s a n t e

verticale

en M, oO

i = 9,71 ~m. Les p a r t i c u l e s

ce champ avec une v i t e s s e u p e r p e n d i c u l a i r e

~gale A la v i t e s s e du fluide, fMHz = Um/s/9'71"

(f3 : 30 cm)

d'interfrange

FL1 et

une lumi~re m o d u l ~ e

fr4quence de m o d u l a t i o n

aux franges,

~ la fr~quence c o n s t i t u e donc

de la v i t e s s e du fluide.

144

G. C~m__~gs_bet a n d M. T r i n i t e

1.3.2

: L'optique

La lentille diffus4e,

et forme

bin Yvon H 20

l'image

unit~.

diffusantes

1.3.3

Le domaine

d'autre

part la lumi~re ~ haute

parasites

~

le tri entre d'une p a r t

4mise par le p l a s m a

(i/e 2) des faisceaux de petit axe

de r4solution

et d'un volume

et

FLI et

2 ~z ~ 45~m,

est l ' i n t e r s e c t i o n

sensiblement

PM, EMI 9558B,

~A (mesure des courants

Le photomultiplicateur,

lations

Jo-

0,2 nm),

parall~l~pip4di-

collectrice.

(E) o0 il est amplifi4

teurs calls

du m o n o c h r o m a t e u r

temp4rature.

de r~volution,

issu du p h o t o m u l t i p l i c a t e u r

pour abaisser

la lumi~re

41ectronique

par une cage de Faraday plus,

collecte

spatiale

16]. Le domaine

le m i c r o - a m p ~ r e m ~ t r e

semble

op~re

port~es

de focalisation

: Le montage

Le signal vers

Le m o n o c h r o m a t e u r

sensiblement

que d~fini par l'optique

: 72 mm)

: 50 ~m ; bande passante

commun de focalisation

de grand axe 2 A r % 1,4 mm

1.4

et de sortie

: La r4solution

FL2 est un ellipsoide

de ce domaine

: I0 cm, diam~tre

de M sur la fente d'entr~e

laser diffus4e,

les particules

4, No.

collectrice

(f~

(fentes d'entr~e

avec un g r a n d i s s e m e n t la lumi~re

L~

Vol.

son a l i m e n t a t i o n

jusqu'~

provoqu~es

sur la fr4quence

soit

soit vers

l'en-

et filtr4.

du rayonnement

encore

est dirig~

d'anode),

et l'ensemble

~lectromagn~tique

un niveau

tol4rable

par ce rayonnement, fondamentale

(E) sont prot~g4s

de l'inducteur. l'amplitude

(E) comprend

d'oscillation

De

des oscil-

trois r~jec-

et sur deux harmoni-

ques. Les signaux l'aide

d'une

analogue

Doppler

chaine

des sont mesur~es

cassettes,

donne

automatique

& celle d~crite

Les donn~es

grammes

sont analys~s

par un chronom~tre

puis trait~es

en fr~quence

la vitesse

De plus, fr~quence

HP,

et de traitement

des donn~es, Les p4rio-

5345 A, avec une r ~ s o l u t i o n

sur cassette

des ~chantillons

des p4riodes

171 mais plus performante.

de 2ns.

par un e n r e g i s t r e u r - l e c t e u r

par un caleulateur

HP 9810 A qui fournit

(Figure

2). La p o s i t i o n

de

les histo-

du m a x i m u m

fM

moyenne.

bien que

laminaire,

150 Hz, r4sultant

voquent des

d'acquisition

pr~c~demment

sont transferees

par ~ c h a n t i l l o n n a g e

fluctuations

(2 6f) est la largeur

le p l a s m a

est le si~ge d ' o s c i l l a t i o n s

de son mode de production.

p~riodiques

A mi-hauteur

de vitesse

Ces o s c i l l a t i o n s

mesur4es

de l'histogramme.

de

par

(6f/fM)

%

proo~

2

Vol. 4, NO. 2

DOPPLER-IASER~SIIDIES

145

Nombro do VaJouro mr c I/0oso

Llwiour d'une classe,

.4OO

35 ?00 Hz

\ 200

5

~O

5

Lf

2O

G~e ¢iasse

FIG. 2 en frequence

Histogramme

1.5

: Les r~sultats

Les p r o f i l s du plasma,

exp~rimentaux

sont obtenus

Les figures que d e u x p r o f i l s Les mesures

fluctuations

moyennes piquement tuantes.

des q u a n t i t ~ s de vitesse

sont plus

dans

horizontale le jet libre

sont pr4cises p~riodiques,

moyennes

obtenus

que

et bien reproductibles. aussi

ainsi

"mesur~es",

la v a r i a t i o n

~t~ optimis~ le nombre

est trop faible p o u r

l'obtention

precise

~tant que

moyennes,

de ces valeurs.

pr~sentes

l'obtention

que ces

une des raisons ses valeurs

surtout pour

de franges

Ii n'en est

consid~rons-nous

en ce qui concerne

en ce qui concerne avait

de vitesses

(~f/fM) .

"estim4es"

; en p a r t i c u l i e r cinq)

Nous avons dQ travailler

des p~ofils

bien reproductible

ble l'~tre moins

section

d'alumine.

3 montrent

plus , l'an~mom~tre

d'une

rapide du tube de silice du fair de la thermopho-

pas de m~me des fluctuations

le plasma,

le long d'un diam~tre

au niveau du jet libre.

cause de l ' o p a c i f i c a t i o n r~se des particules

d'un echantillon

sem-

De

des vitesses

dans le champ

(ty-

des grandeurs

fluc-

146

G. G o u e s b e t a n d M .

Trinite

Urnj8

Vol. 4, No. 2

Um~

(~)I

,o

rm~ •

~ 8 ~

, •

•

It

04WAS2

,

•

.

O

Diblts:l

.

z

.

•

OiIoltl2,

Z,

mm

5

mm

,

U

1 1 5 mm

.

U

,

($f/fM)

5

II. Mesure Les pressions

vitesses donc, des

(atomes,

moyennes,

dynamiques

Les r~sultats

obtenus

$

I)iblts

3,

z • 11,5 . ~

•

Dobtts

3.

z ,

•

$

5

a.m ,

U

,

U

mm ,

(tt/fM)

periodiques

(Qu2/2)

sont mesur~es

reli4e

permettent

par une nouvelle

z

et ionique

la loi des gaz parfaits,

ions)

3,

atomique

relatives

par eau,

ces mesures

Debits

FIG. 3 et fluctuations

des temperatures

refroidie

moyennes,

utilisant

U

m.

Vitesses

sonde dynamique,

.

5

~ l'aide

~ un micromanom~tre. de d~duire

la masse

la temp4rature

d'une

Coupl~es volumique

aux pet

T L des p a r t i c u l e s

lour-

m4thode.

sont p r ~ s e n t 4 s

figure

4.

Conclusion Nous avons exp~rimentales, diques

adapt4 mesur~

de fr~quence

Nous p r o p o s o n s atomique

l'an~mom~trie les vitesses

Doppler-laser moyennes,

& de nouvelles

conditions

et estim~ des fluctuations

p~rio-

150 Hz. ~galement

une nouvelle

m~thode

de mesure

des temp4ratures

et ionique. Nomenclature : viscosit4

dynamique

TL

: temperature

n p

: rapport

u

: vitesse

f.1

: distance

absolue

d'amplitude

: masse v o l u m i q u e

du p l a s m a des particules de H j e l m f e l t

focale

et Mockros

du p l a s m a

longitudinale

lourdes

du p l a s m a

de la i ~me lentille

(atomes,

ions)

Vol. 4, NO. 2

~LASER

~

e

: base du logarithme n~p~rien

f

: fr~quence du signal D o p p l e r

STJDIES

147

E

8

}

: coordonn~es

cylindriques

z fM

: m a x i m u m en fr~quence des histogrammes

2 6f

: largeur ~ m i - h a u t e u r des histogrammes. R~f~rences

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E E

E E

E E

w

N

N

N

m O

•

•

e

~4

Io

•

~

nl