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Développement d'une méthode de caractérisation externe et interne de sprays de carburants par imagerie rapide

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Jourdain, Cyprien (2017). Développement d'une méthode de caractérisation externe et interne de sprays de carburants par imagerie rapide. Mémoire de maîtrise électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

La qualité de la combustion dans un moteur à explosion ou dans une turbine à gaz est directement influencée par la phase d’injection du carburant. Une maîtrise de la distribution spatiale et temporelle du liquide injecté est alors impérative afin de consommer le maximum de carburant présent dans la chambre et de limiter les rejets de polluants. Pour caractériser le processus d’injection, une technique grandement utilisée est l’imagerie rapide de sprays, suivie par le traitement des images. L’ombroscopie, avec une caméra à haute vitesse, est préférée dans cette étude étant donné la configuration expérimentale (injecteur mono-trou, faible densité du carburant, etc.). En général, les méthodes de post-traitement d’images sont diversifiées, allant de la simple segmentation par seuillage à des méthodes alternatives comprenant une detection de contours puis une segmentation. La revue de littérature dans le domaine de l’analyse de sprays a montré des manques et des imprécisions qui persistent. Aussi, dans les études de caractérisation complète de sprays, des méthodes distinctes sont utilisées pour l’analyse externe (macroscopique) et interne (microscopique), ce qui est à la fois complexe à mettre en place et dangereux au vu des erreurs pouvant être introduites. L’objectif principal est alors de proposer un outil complet, capable de traiter des images de sprays, conduisant à l’obtention des propriétés externes et internes, de manière fidèle et représentative de la réalité. La method retenue est une méthode hybride comportant tout d’abord une phase conséquente d’amélioration et de débruitage de l’image par filtrage Bayésien sur réseau multi-échelles. Cette première étape semble essentielle étant donné la qualité moindre des images de sprays obtenues. La seconde phase est l’application d’une méthode alternative de contours actifs suivie d’une segmentation afin de transformer les contours détectés en régions. Cette approche est compare aux outils utilisés de nos jours et elle démontre une performance supérieure. La majorité des comparaisons est effectuée sur des images de synthèse puis sur des images naturelles, par des analyses visuelles, des analyses d’indicateurs de qualité, des analyses de spectres d’images. La caractérisation du spray débute ensuite par l’obtention des propriétés externes (longueur de pénétration, angle de cône, aire et volume) puis des propriétés internes (distribution des diamètres de gouttes, diamètres moyens et représentatifs). La performance de l’algorithme de post-traitement permet de mener une étude des paramètres morphologiques des gouttes avec un niveau de confiance élevé, du fait de la préservation des propriétés des objets au cours du calcul (pas d’extrapolation ni de suppression de contours). L’application à des injections à basse pression d’iso-octane, démontre l’efficacité de la solution proposée.

Titre traduit

Development of an external and internal fuel spray characterization method with high-speed imaging

Résumé traduit

Combustion quality is directly impacted by the fuel injection phase in internal combustion engines and gas turbines. The spatial and temporal distribution of the liquid needs to be managed to maximize the fuel consumed in the combustion chamber and to minimize pollutant emissions. To characterize the injection process, high-speed imaging followed by an image processing step is commonly used. Given the experimental setup (single hole injector, low fuel density, etc.), shadowgraphy with a high-speed camera is preferred in this study. Several image processing methods exist, ranging from simple image thresholding to alternative methods with contour detection followed by region segmentation. The literature review highlights a lack of information and accuracy with classical approaches. Moreover, separated methods are generally used while analyzing external (macroscopic) and internal (microscopic) spray shapes for complete spray characterization. This strategy requires complex and time-consuming calculations and may introduce a bias into the final results. The main objective of this work is to implement a single complete tool with the capability of processing spray images, leading to realistic external and internal properties. The chosen method is a hybrid method with an initial major step of image enhancing and filtering with a Bayesian multi-scale approach. This step is important regarding the poor quality of the input images. The second major step is the application of an alternative active contours detection method followed by a region segmentation to transform the contours into regions. The proposed approach is compared to well-known tools and it shows a better performance. The comparisons are mostly performed for synthetic images and natural images using visual inspection, metrics, and spectral analysis. Spray characterization is then possible by obtaining external properties (penetration length, cone angle, area and volume) and internal properties (droplet diameter distributions, mean diameters and representative diameters). The global performance of the processing algorithm allows studying the droplet morphology with a high level of confidence, owing to the preservation of contour features during the calculations (no contour extrapolation or suppression). Application on low pressure injections of isooctane shows the efficiency of the proposed solution.

Type de document: Mémoire ou thèse (Mémoire de maîtrise électronique)
Renseignements supplémentaires: "Mémoire présenté à l'École de technologie supérieure comme exigence partielle à l'obtention de la maîtrise avec mémoire en génie aérospatial." Bibliographie : pages 169-174.
Mots-clés libres: Carburants. Imagerie (Technique) Traitement d'images Techniques numériques. Ombroscopie. injection, spray, caractérisation macroscopique et microscopique, filtrage, gouttelettes, segmentation
Directeur de mémoire/thèse:
Directeur de mémoire/thèse
Seers, Patrice
Co-directeurs de mémoire/thèse:
Co-directeurs de mémoire/thèse
Weiss, Julien
Programme: Maîtrise en ingénierie > Génie
Date de dépôt: 27 mars 2018 18:35
Dernière modification: 27 mars 2018 18:35
URI: http://espace.etsmtl.ca/id/eprint/2019

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