Effets du couplage électromagnétique sur l'approximation de Rayleigh-Debye-Gans pour des agrégats fractals - TEL - Thèses en ligne Accéder directement au contenu
Thèse Année : 2022

Effects of electromagnetic coupling on the Rayleign-Debye-Gans approximation for fractal aggregates

Effets du couplage électromagnétique sur l'approximation de Rayleigh-Debye-Gans pour des agrégats fractals

Résumé

Soot particles play a role in terrestrial radiative forcing, in snowmelt, and in many industrial processes involving flame radiation. For this purpose, it is necessary to consider their radiative properties in various climate and radiation models, as well as in the interpretation of signals from optical measurements. To define their radiative properties, an analytical model based on the Rayleigh-Debye-Gans (RDG) approximation is commonly used. This model is based on a simplified approach to Maxwell’s equations that does not consider the internal coupling within a particle, which is only valid for nearly transparent particles. Unfortunately, soot particles are very absorbent and have complex morphologies. They are aggregates of primary spherules that have a fractal structure. The spherules, also called monomers, can in particular be polydisperse in diameter and partially overlapping. It has been established that the application of this approximation for these fractal aggregates, called RDG-FA (FA for Fractal Aggregates) could lead to significant errors in the evaluation of their radiative properties (cross sections). In order to improve the accuracy of this approximation, it is necessary to make corrections. In the literature, these corrections are noted A for forward scattering and ℎ for absorption. Although corrections are sometimes considered, their physical origin is not well understood. The objective of this thesis is to understand this origin and to model these corrections by means of an analysis of the internal electric field of the particles. From a phasor approach, we show that the internal electric field, considered uniform in the case of RDG, presents nonuniformities induced by the electromagnetic coupling between the monomers. This coupling is particularly intense at the level of the contact between the monomers. Moreover, we highlight a phenomenon of self-absorption within the aggregates. These observations allow us to propose a semi-empirical model describing the dependence of the two corrective terms A and ℎ on the size of the aggregates, on their optical index and on the wavelength. The impact of the internal coupling on the modeling of the angular scattering dependence of the structure factor is also investigated. We show by a mathematical development that the determination of the structure factor on the basis of a Fourier transform calculation of the autocorrelation must, in order to take into account the electromagnetic coupling, consider the non-uniformity of the internal electric field. This results in a systematic decrease of the scattering intensity modeled by the RDG-FA, in particular at large scattering angles. Finally, we show by means of a fine modeling of the morphology of the aggregates that the optical coupling is strongly impacted, in particular when an overlap rate between the monomers is considered.
Les particules de suie jouent un rôle dans le forçage radiatif Terrestre, dans la fonte des neiges, et dans de nombreux procédés industriels mettant en jeu le rayonnement des flammes. A cet effet, il convient de considérer leurs propriétés radiatives dans les différents modèles climatiques et de rayonnements, ainsi que pour l’interprétation des signaux issus de mesures optiques. Pour définir leurs propriétés radiatives, il est courant d’utiliser un modèle analytique reposant sur l’approximation de Rayleigh-Debye-Gans (RDG). Celle-ci est une approche simplifiée des équations de Maxwell ne considérant pas le couplage interne au sein d’une particule, ce qui n’est valable que pour des particules quasiment transparentes. Malheureusement, les particules de suie sont très absorbantes et ont des morphologies complexes. Il s’agit d’agrégats de sphérules primaires qui ont une structure fractale. Les sphérules, également appelées monomères, peuvent notamment être polydisperses en diamètre et se recouvrir partiellement. Il a été établi que l’application de cette approximation pour ces agrégats fractals, appelée RDG-FA (FA pour “Fractal Aggregates”), pouvait conduire à des erreurs significatives en ce qui concerne l’évaluation de leurs propriétés radiatives (sections efficaces). Afin d’améliorer la précision de cette approximation, il convient donc d’y apporter des corrections. Dans la littérature, ces corrections sont notées A pour la diffusion avant et ℎ pour l’absorption. Bien que des corrections soient parfois considérées, leur origine physique n’est pas bien comprise. L’objectif de cette thèse est de comprendre cette origine et de modéliser ces correctifs au moyen d’une analyse du champ électrique interne des particules. À partir d’une approche phaseurielle, nous montrons que le champ électrique interne considéré uniforme dans le cas de la RDG, présente des non-uniformités induites par le couplage électromagnétique entre les monomères. Ce couplage est particulièrement intense au niveau du contact entre les monomères. Par ailleurs, nous mettons en évidence un phénomène d’auto-absorption au sein des agrégats. Ces observations nous permettent de proposer un modèle semi-empirique décrivant la dépendance des deux termes correctifs A et ℎ à la taille des agrégats, à leur indice optique, et à la longueur d’onde. L’impact du couplage interne sur la modélisation de la dépendance angulaire de la diffusion, le facteur de structure, est également investigué. Nous montrons par un développement mathématique que la détermination du facteur de structure sur la base d’un calcul de transformée de Fourier de l’autocorrélation doit, afin de prendre en compte le couplage électromagnétique, considérer la non-uniformité du champ électrique interne. Ceci a pour conséquence de systématiquement diminuer l’intensité de la diffusion modélisée par la RDG-FA, en particulier aux grands angles de diffusion. Enfin, nous montrons à l’aide d’une modélisation fine de la morphologie des agrégats que le couplage optique est fortement impacté, notamment lorsqu’un taux de recouvrement entre les monomères est considéré.
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Origine : Version validée par le jury (STAR)

Dates et versions

tel-04008406 , version 1 (28-02-2023)

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  • HAL Id : tel-04008406 , version 1

Citer

Clément Argentin. Effets du couplage électromagnétique sur l'approximation de Rayleigh-Debye-Gans pour des agrégats fractals. Physique [physics]. Normandie Université, 2022. Français. ⟨NNT : 2022NORMIR20⟩. ⟨tel-04008406⟩
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