Visualisations et mesures optiques en aérodynamique

L’étude des écoulements gazeux ou liquides est un domaine en plein développement qui concerne non seulement l’amélioration des performances des moyens de transport aériens ou navals, mais également tous les phénomènes mettant en cause un déplacement de gaz ou de liquide. C’est ainsi qu’aux applications traditionnelles, qui sont à l’origine de la mécanique des fluides (avion, fusée, navire, sous-marin...), se sont ajoutés, plus récemment, des sujets aussi variés que la climatisation des habitacles et des bâtiments, la consommation des automobiles, ou la génération de bruit par le vent ou par les conduites d’eau, le fonctionnement des turbines et des réacteurs, etc.

Ces domaines ont pu se développer grâce aux progrès de l’informatique et de la modélisation mathématique. Cependant, la nécessité d’une expérimentation précise reste toujours aussi actuelle, afin de vérifier puis d’affiner les prédictions fournies par ces modèles dans des situations de plus en plus complexes.

Parmi toutes les méthodes expérimentales, l’optique a toujours occupé une place de choix grâce à son caractère non intrusif : la traversée d’un écoulement par un faisceau lumineux n’entraîne pas de perturbation dans les conditions requises par la visualisation ou la mesure. C’est ce qui explique l’importance des techniques que nous allons décrire.

Avant d’entrer dans le détail, il faut encore préciser que les liquides et les gaz étudiés par voie optique sont transparents, de sorte que nous ne les voyons pas. Nous ne percevons leur présence ou leur comportement que par des manifestations indirectes naturelles (le bleu du ciel, les mirages, les « rayons » du soleil, etc.) ou artificielles. Toutes les techniques que nous allons décrire sont fondées sur la mise en évidence ou sur l’amplification de ces manifestations.

Pour percevoir un phénomène optique, à l’œil ou à l’aide d’un récepteur quelconque, il est nécessaire qu’il se manifeste par des variations de luminosité : le champ observé doit être un « objet d’amplitude ». Or, par définition, tous les milieux parfaitement transparents sont des « objets de phase », c’est-à-dire qu’ils n’agissent sur la lumière qu’en modifiant le temps de parcours des ondes qui les traversent. Le premier moyen qui s’impose alors à l’esprit consiste à transformer les variations de phase en variations d’amplitude pour les rendre perceptibles. C’est d’ailleurs le premier utilisé historiquement.

On peut, d’autre part, utiliser des particules présentes naturellement dans le fluide ou introduites artificiellement. Ce sont alors ces particules qui sont visualisées et l’on doit pouvoir admettre qu’elles suivent fidèlement l’écoulement qui les porte. Ce moyen, plus récent, permet d’accéder à d’autres paramètres et vient compléter les méthodes précédentes.

Plus récemment encore, on a vu naître des procédés faisant appel à d’autres phénomènes créés artificiellement (absorption spectrale, fluorescence, etc.) et qui supposent une mise en œuvre plus complexe. Ici aussi les résultats viennent en complément des précédents pour affiner notre compréhension du comportement des fluides.