À l'intérieur de la flamme: une nouvelle méthode pour étudier les systèmes réactifs à haute température

Dans la mythologie grecque antique, une place spéciale est occupée par un personnage qui a défendu avec zèle l'humanité de la cruauté et de l'arbitraire des dieux. Entre autres choses, il nous a donné, des gens, du feu et des connaissances sur la façon de le préserver. Le nom de ce personnage est Prométhée. Zeus l'a puni d'une manière très cruelle et sophistiquée - Prométhée était enchaîné à un rocher pour toujours et à jamais, et l'aigle chaque jour picorait son foie, qui était complètement régénéré, et la farine était répétée à nouveau. Tous les phénomènes physiques ou chimiques ne reçoivent pas leur propre mythologie, mais le feu est une autre affaire. Donnant la vie et en même temps détruisant tout sur son passage, si simple et si mystérieux. Aujourd'hui, nous ferons connaissance d'un travail dans lequel les scientifiques ont démontré une nouvelle méthode d'étude du feu, qui nous permet d'examiner plus en détail les processus moléculaires qui se produisent dans les langues de flamme. Quels outils et instruments ont été utilisés par les scientifiques, quelles nouvelles choses pourraient-ils apprendre sur le feu et comment leur travail peut-il aider l'humanité à l'avenir? Des réponses nous attendent invariablement dans le rapport du groupe de recherche. Allons-y.

Base d'étude

Parfois, en regardant la flamme, il semble que ce soit un être vivant avec ses pensées et ses plans insidieux. Cependant, le mythique dans la flamme est autant que notre imagination. En réalité, le feu est le même processus physico-chimique que la cristallisation de l'eau, par exemple. Le feu est un processus d'oxydation qui s'accompagne d'un rayonnement dans le domaine visible et d'un dégagement de chaleur, c'est-à-dire d'énergie thermique. Pour l'existence d'un incendie, certains ingrédients sont nécessaires: carburant, agent oxydant et température. Imaginez le feu de joie le plus ordinaire dans le camp de touristes. Le bois agit comme combustible, et l'oxygène, qui est présent dans l'air environnant les touristes, et, naturellement, le bois pour un feu agit comme un agent oxydant. Sans oxygène (c'est-à-dire un agent oxydant au sens large), le processus de combustion est impossible. Le troisième ingrédient, la température, est déterminé par les propriétés des deux précédents. Il existe de nombreuses variantes de chacun des éléments constitutifs du feu, ainsi que de leurs combinaisons, chacune ayant ses propres propriétés, caractéristiques et particularités. Nous avons beaucoup de connaissances sur le processus de combustion, mais pas toutes.

Dans l'étude examinée aujourd'hui, les scientifiques ont décidé de mesurer la température du feu à différentes variables d'entrée: la plage de température de 1000-1800 K, la pression de 2,0-2,9 à et 7,6-10,7 à, la fréquence de 250 kHz. Pour cela, un laser à cascade quantique (QCL) à modulation acousto-optique (ci-après AOM) avec une plage infrarouge moyenne du signal de sortie de 1975 à 2260 cm ^{-1 a été utilisé} .

Les scientifiques notent que pour les mesures temporaires de particules non intrusives dans les systèmes réactifs, la spectrométrie d'absorption laser dans la région infrarouge moyen est excellente. La comparaison des forces d'absorption de deux particules cibles avec des dépendances de température différentes est déjà une méthode de thermométrie à deux lignes. Dans cette méthode, en raison des limitations de la vitesse de balayage et de la plage de longueurs d'onde, il est nécessaire d'utiliser plusieurs lasers à la fois pour des mesures plus rapides. De plus, malgré la sensibilité des mesures dans les milieux à faible concentration, les lasers à bande étroite ne conviennent pas aux systèmes à forte concentration de particules cibles.

Ainsi, une méthode similaire ne peut pas être utilisée pour les mesures de température dans des systèmes de matériaux énergivores, tels que C ₄ H ₈ N ₈ O ₈ (octogène) et C ₃ H ₆ N ₆ O ₆ (hexogène), car les éléments cibles (H ₂ O , , etc.) sont produits en très forte concentration. Par conséquent, une nouvelle méthode est nécessaire pour étudier de tels systèmes, que les scientifiques décrivent dans leur travail.

Préparation de la configuration expérimentale

Image n ° 1

La figure 1a montre la configuration expérimentale d'un laser à cascade quantique à modulation acousto-optique (AOM QCL):

• Miroir - un miroir;
• Faisceau diffracté à la longueur d'onde souhaitée - faisceau réfléchi à la longueur d'onde souhaitée;
• Faisceau non diffracté - faisceau non réfléchi;
• AOM - modulateur acousto-optique;
• Lentilles - lentilles;
• Laser à cascade quantique QCL;
• Revêtement AR - couche antireflet;
• Générateur RF - générateur de fréquence radio;
• Sortie - signal de sortie.

Le signal de sortie spectral AOM QCL a été mesuré en fonction de l'entrée AOM RF en utilisant un rayonnement infrarouge avec transformée de Fourier avec une résolution spectrale de 0,2 cm ^-1 ( 1b ).

La demi-largeur du signal de sortie dépend des conditions de fonctionnement: durée d'impulsion et fréquences QCL et AOM. Dans cette expérience, l'indice de demi-largeur était d'environ 12–15 cm ^–1 .

Dans les expériences, un tube à choc en acier inoxydable avec un diamètre interne de 14 cm a été utilisé, et des diaphragmes en polycarbonate d'une épaisseur de 0,18 et 0,76 mm ont également été utilisés. Cinq transducteurs de pression piézoélectriques situés le long des derniers 1,4 m du tube à choc ont été utilisés pour mesurer la vitesse d'impact, qui a été extrapolée linéairement à la paroi d'extrémité. La température et la pression dans la région de choc réfléchie (P5 et T5) ont été calculées en utilisant la température et la pression initiales dans cette région et la vitesse de choc extrapolée en utilisant des rapports de choc unidimensionnels en tenant compte des gaz chimiquement gelés et équilibrés par vibration. L'atténuation de la vitesse était d'environ 1,5% / m et l'erreur dans T5 et P5 était inférieure à 2%.


Image n ° 2: configuration expérimentale en conjonction avec la région d'essai du tube à choc.

Explications pour l'image ci-dessus:

• Système AOM QCL - installation d'un laser à cascade quantique avec modulation acousto-optique;
• Générateur RF - générateur de fréquence radio;
• Générateur de fonctions - Générateur de fonctions $
• Sync - synchronisation;
• Source de courant pulsé - source de courant pulsé;
• Iris - ouverture;
• Détecteur I (intensité du signal transmis) - capteur d'intensité (I) du signal transmis
• Miroir incurvé - un miroir incurvé;
• Détecteur I0 - capteur d'intensité du faisceau de référence;
• Séparateur de faisceau - séparateur de faisceau;
• Miroir - un miroir;
• Endwall - mur d'extrémité;
• Fenêtres ZnSe - lentilles en séléniure de zinc;
• Shock Tube - tube d'amortisseur.

Le faisceau de l'AOM QCL a été divisé en faisceaux de référence et de signal au moyen d'un séparateur de faisceaux en fluorure de calcium (CaF ₂ ). L'intensité du faisceau de référence a été mesurée à l'aide d'un capteur photoélectrique refroidi thermoélectriquement. Comme on peut le voir sur le schéma, devant le tube, le faisceau traverse une lentille en séléniure de zinc de 3 mm d'épaisseur et 12,7 mm de diamètre. Les deux lentilles étaient situées à une distance de 2 cm de la paroi d'extrémité et étaient dirigées l'une vers l'autre. Après avoir passé la deuxième lentille, le faisceau est dirigé vers le capteur d'intensité du signal transmis à travers un miroir incurvé.

Le laser de configuration fonctionnait en mode pulsé avec un taux de répétition de 500 kHz et une durée d'impulsion de 100 ns. L'AOM a été utilisé pour alterner les impulsions entre les bandes spectrales de 2030 cm ^-1 et 2080 cm ^-1 en modulant le pilote de radiofréquence avec un méandre * avec une période de 250 kHz, qui a été synchronisé avec le pilote d'impulsion laser.

Le méandre * est un signal périodique de forme rectangulaire.

Ces bandes spectrales précises ont été spécialement sélectionnées pour fournir une sensibilité à haute température dans la plage de température étudiée avec une sensibilité relativement faible à la fraction molaire et à la pression de CO. De plus, pour plus de stabilité spectrale, l'AOM et le QCL étaient contrôlés en température.

Résultats de l'expérience

Et maintenant, nous allons passer directement aux résultats de l'installation.

Au cours des expériences, la température mesurée a varié de 1000 à 1800 K, et deux options de pression ont été utilisées: basse - 2,0-2,9 at. Et haute - 7,6-10,7 at. Le mélange analysé était constitué de CO dilué dans de l'hélium (He) et de l'argon (Ar). Un mélange de 10% CO, 25% He et 65% Ar a été utilisé à basse pression et 3% CO, 15% He et 82% Ar à haute pression. Pour garantir l'homogénéité (homogénéité) des échantillons, le processus de mélange a duré 8 heures.


Image n ° 3

Pour calculer le spectre attendu du faisceau de signaux pour chacune des deux bandes le long de la longueur d'onde, nous avons utilisé une combinaison du spectre d'absorption simulé et du spectre de sortie mesuré AOM QCL. Dans ce cas, la loi monochromatique de Behr - Lambert a été prise en compte pour chaque longueur d'onde individuelle ( 3a ).

L'absorption pour deux bandes a été simulée pour chaque combinaison de T5, P5 et la fraction molaire en tenant compte du chemin de 14 cm (longueur du tube à choc) pour: plage de température 600-2600 K par incréments de 50 K, plage de fractions molaires de CO de 1% à 50% par incréments 1% et une plage de pression de 0,001 à 13,0 bar par incréments de 1 bar.

Comme on peut le voir sur l'image 3b , la température affecte fortement le coefficient d'absorption, mais seulement légèrement sur la fraction molaire et la pression. La température et la fraction molaire ont été calculées à l'aide d'une méthode itérative, c'est-à-dire que ces indicateurs ont d'abord été déterminés séparément et utilisés pour calculer les valeurs d'absorption théoriquement attendues pour les deux bandes de sortie à la pression mesurée expérimentalement (P5). Après cela, la température a été modifiée en comparant les coefficients d'absorption théoriques et mesurés. La fraction molaire de CO a été modifiée en utilisant la différence entre les valeurs mesurées et théoriques de la bande d'absorption de 2080 cm ^-1 .


Image n ° 4

Dans l'image 4a, nous pouvons voir une comparaison des températures mesurées et connues dans des expériences avec un tube à choc prenant en compte les impacts de basse et haute pression. Comme nous pouvons le voir, les températures obtenues à l'aide du système AOM QCL sont presque parfaitement cohérentes avec les températures de choc sur toute la plage de 1 000 à 1 800 K et dans les deux plages de pression. Le graphique adjacent ( 4b ) montre le rapport de la fraction molaire réelle et mesurée de CO. Dans le cas de cet indicateur, un excellent accord est également observé entre les données initialement connues et celles obtenues par des mesures avec le système expérimental AOM QCL.

Résultats des chercheurs

Les scientifiques ont découvert que le changement de température est indépendant des déplacements du faisceau laser provenant des particules du diaphragme. Cette conclusion est justifiée par le fait que cette polarisation affecte les deux composantes spectrales du signal de sortie en raison d'impulsions variables traversant le même faisceau. Par conséquent, le décalage est compensé.

Si nous prenons en compte l'immunité des mesures de température aux émissions thermiques de fond et le décalage du faisceau laser décrit ci-dessus, la méthode développée est excellente pour étudier les réactions en phase gazeuse des matériaux énergétiques (par exemple, l'octogène et l'hexogène) dans lesquels le CO est généré, et les particules chaudes et les ondes de pression peuvent provoquer des émissions et déplacement du faisceau.

De plus, étant donné la largeur de bande de l'AOM QCL de 12 à 15 cm ^-1 , de nombreuses caractéristiques d'absorption d'un composant du milieu d'essai peuvent être analysées simultanément. Les lasers à bande étroite ont une sensibilité accrue, mais sont limités dans la plage de concentration où ils peuvent être utilisés, en raison de la saturation.

La modélisation du spectre HITEMP ne prend en compte que le CO. Par conséquent, l'utilisation du système AOM QCL sur des structures, lorsque les composants du mélange peuvent être différents, nécessite une amélioration supplémentaire du système pour augmenter sa précision.

Pour une connaissance plus détaillée des nuances de l'étude, je vous recommande fortement de consulter le rapport des scientifiques .

Épilogue

Cette étude expérimentale est une démonstration d'un nouvel outil dans l'étude de la température et de la concentration en composants à l'intérieur de systèmes réactifs à haute température. Les scientifiques utilisant cet outil ont pu étudier avec succès des mélanges avec 3% et 10% de CO dans la plage de température de 1000 ... 1800 K à une pression de 2,0-2,9 à et 7,6-10,7 à.

Le système AOM QCL, selon les développeurs eux-mêmes, est assez flexible et vous permet de le configurer pour divers environnements étudiés dans une large plage de température. De plus, le système peut mesurer plusieurs composants du milieu à la fois en mesurant leurs caractéristiques d'absorption.

Le feu n'est pas seulement un poêle dans une maison de village, une cheminée dans un manoir ou une bougie sur un gâteau. Le feu est un processus physique et chimique complexe, dont la compréhension donne à une personne plus d'outils pour contrôler son pouvoir créatif et lutter contre son pouvoir destructeur.

Je n'exagère pas en disant que nous avons tous été choqués par l'incendie qui s'est produit dans la cathédrale Notre-Dame. Tant de siècles de recherches scientifiques, de découvertes et de percées, mais nous n'avons pas pu sauver l'une des plus grandes et des plus belles perles de l'architecture du feu rebelle. Cette perte nous a rappelé une fois de plus que l'homme est si grand, et nous devons encore en apprendre beaucoup sur le monde qui nous entoure afin de nous protéger complètement des ennuis qu'il peut nous présenter. La seule force destructrice avec laquelle nous ne pourrons probablement jamais contrôler cela est nous-mêmes.

Merci de votre attention, restez curieux, rappelez-vous les règles de sécurité incendie et une bonne semaine de travail, les gars.

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