Numerical Simulation of Light Scattering of a Pendent Droplet by Statistic Vectorial Complex Ray Model
Simulation numérique de diffusion de la lumiére par une goutte pendante par tracé de rayons vectoriels complexes statistiques.
Résumé
This thesis is devoted to the numerical simulation of the scattering of plane wave by a pendent droplet in three dimensions using the Statistic Vectorial Complex Ray Model (SVCRM), which is based on the Vectorial Complex Ray Model (VCRM) developed in the laboratory CORIA. Optical metrology is widely used in many domains of scientific research due to its advantages of being fast and non-intrusive. Numerous measurement techniques have been developed to characterize the size, the temperature, ... of the particles. But most of them are limited to the particles of simple shape because of the lack of theoretical model to predict the relation of the scattered light with the properties of the scatterers, especially for the large non-spherical particle. To overcome this obstacle, the Vectorial Complex Ray Model (VCRM) has been developed. In this model, the wave front curvature is introduced as a new property of light rays. The divergence and the convergence of a wave on the curved surface of the particle can be described easily by the wave front equation. So it can be applied to the scattering of light by large particles of any shape with smooth surface. The VCRM has been validated experimentally and numerically in the cases of scattering in a symmetric plane of scatterer. In order to get over the problem of 2D interpolation with irregular data, Statistic Vectorial Complex Ray Model (SVCRM) is proposed. But the interference phenomena is not considered in its initial version. In this thesis, the method to count the phase due to the optical path, the Fresnel coefficients and the focal liens are carefully studied for a non-spherical particle in the framework of SVCRM. It is then applied to the simulation of the three dimension scattering of a pendent droplet. The scattering patterns around the first and the second order rainbows, in the forward direction are exampled for four typical shapes of pendent droplets obtained experimentally. The results are found in good agreement with experimental scattering patterns. The scattering mechanism and the contribution of different orders of rays are also investigated.
Cette thèse est consacrée à la simulation numérique tridimensionnelle de la diffusion d’une onde plane par une gouttelette pendante à l’aide d’un modèle de Tracé de Rayons Vectoriels Complexes Statistiques (TRVCS), basé sur modèle de Tracé de Rayons Vectoriels Complexes (TRVC) précédemment mis au point par le laboratoire CORIA. La métrologie optique est largement utilisée dans de nombreux domaines de la recherche scientifique et non intrusive. De nombreuses techniques de mesure ont été développées pour caractériser la taille, la température, ... des particules. Mais la plupart d’entre elles sont limitées aux particules de forme simple en raison de l’absence d’outils théorique ou numérique permettant de prédire la relation entre la lumière diffusée et les propriétés des diffuseurs, en particulier pour les grosses particules non sphériques. Pour surmonter cet obstacle, TRVC a été développé. Dans ce modèle, la courbe du front d’onde est introduite comme une nouvelle propriété des rayons lumineux. La divergence et la convergence d’une onde sur la surface courbée de la particule peuvent être facilement prédites par l’équation du front d’onde. Ainsi, il peut être appliqué à la diffusion de la lumière par de grosses particules de forme quelconque et de surface lisse. La TRVC a été validée expérimentalement et numériquement dans les cas de diffusion dans un plan de diffusion symétrique. Afin de contourner le problème de l’interpolation 2D avec des données irrégulières, nous proposons un modèle de TRVCS. Mais le phénomène d’interférence n’est pas pris en compte dans sa version initiale. Dans cette thèse, la méthode de calcul de la phase due au chemin optique, aux coefficients de Fresnel et aux lignes focales sont soigneusement étudiés pour une particule non sphérique dans le cadre de TRVCS. Il est ensuite appliqué à la simulation de la diffusion en trois dimensions d’une gouttelette pendante. Les figures de diffusion aux alentours des arcs-en-ciel du premier et du second ordre, dans la direction avant, sont simulées pour quatre formes typiques de gouttelettes pendantes obtenues expérimentalement. Les résultats numériques sont en bon accord avec les résultats expérimentaux. Le mécanisme de diffusion et la contribution de différents ordres de rayons sont également étudiés.
| Origine | Version validée par le jury (STAR) |
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