Scattering of a shaped beam by a spherical particle and its applications in two phase flow

Diffusion des Faisceaux Feuille Laser par une Particule Sphérique et Applications aux Ecoulements Diphasiques

Kuan Fang Ren (1)

1 CORIA - Complexe de recherche interprofessionnel en aérothermochimie

A laser sheet, defined as a Gaussian beam of elliptical cross section, is increasingly used in measurement techniques to expand the measurable range or to simplify signal processing. This thesis concerns the extension of the Generalized Lorenz-Mie Theory (GLMT) to the scattering of a laser sheet by a spherical particle and its applications in two-phase flows. A mathematical description of the laser sheet beam is derived with two different methods. The interest of the GLMT depends strongly on our ability to calculate the coefficients gmn describing the shape of the beam. The localized interpretation in the computation of Gaussian beam is extended to laser beam. Two integration methods and a localized-integral interpretation for the calculation of the beam coefficients are studied. The theoretical tool developed is then applied to the calculation of the radiation pressure exerted on a particle. The theory of two beam scattering is presented and applied to the evaluation of an actual measurement system. In addition, an imaging model based on the TLMT is developed for an object arbitrarily located in a beam (arbitrarily oriented or polarized). The particle may be a homogeneous or concentric particle, a hole or an annular slot.

Une feuille laser, définie comme un faisceau gaussien de section elliptique, est de plus en plus utilisée dans les applications des techniques de mesure pour élargir le domaine mesurable ou pour simplifier le traitement des signaux. Cette thèse concerne l’extension de la Théorie de Lorenz-Mie Généralisée (TLMG) `a la diffusion des faisceaux feuille laser par une particule sphérique et ses applications aux écoulements diphasiques. Une description mathématique du faisceau feuille laser est dérivée avec deux méthodes différentes. L’intérêt de la TLMG dépend fortement de notre capacité de calcul des coefficients g m n décrivant la forme du faisceau. L’utilisation de l’interprétation localisée dans le calcul des g m n des faisceaux gaussiens est étendue aux faisceaux feuille laser. Deux méthodes d’intégration et une interprétation localisée-intégrale pour le calcul des coefficients sont étudiées. L’outil théorique développé est alors appliqué `a la discussion de la pression de radiation exercée sur une particule. La théorie de la diffusion de deux faisceaux est présentée et appliquée `a l’évaluation d’un système de mesure réel. De plus, un modèle d’imagerie basé sur la TLMT est développé pour un objet localisé arbitrairement dans un faisceau (orienté ou polarisé arbitrairement). L’objet peut être une particule homogène ou concentrique, un trou ou une fente annulaire.

Mots clés: Light Diffusion; Generalized Lorenz-Mie Theory; Laser sheet Beam; Optical Particle Sizing; Particle Imaging; Radiation Pressure; Two Phase Flow

Mots clés: Diffusion de la lumière; Théorie de Lorenz-Mie Généralisée; Faisceau laser; Granulométrie optique; Imagerie d’une particule; Pression de radiation; Ecoulement diphasique

Domaines: Optique [physics.optics]

Kuan Fang Ren. Diffusion des Faisceaux Feuille Laser par une Particule Sphérique et Applications aux Ecoulements Diphasiques. Optique [physics.optics]. Université de Rouen, 1995. Français. ⟨NNT : ⟩. ⟨tel-01845373⟩