Article

1 - MONTAGES EXPÉRIMENTAUX (MATÉRIELS ET MÉTHODES)

2 - EXEMPLES DE MONTAGE (OMBROSCOPIE, SCHLIEREN, PLIF…)

3 - TRAITEMENT DU SIGNAL

4 - EXEMPLES D’APPLICATION

5 - CONCLUSION

6 - GLOSSAIRE

7 - ABRÉVIATIONS

8 - SIGLES, NOTATIONS ET SYMBOLES

Article de référence | Réf : R2164 v1

Techniques d’imagerie pour la mesure en mécanique des fluides

Auteur(s) : Sébastien CAZIN, Gilles GODARD, Fabrice LAMADIE, Pierre SLANGEN

Date de publication : 10 janv. 2024

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RÉSUMÉ

L'imagerie est une technique utilisée dans de nombreux domaines liés à la mécanique des fluides. Elle permet de mesurer des paramètres géométriques (taille, forme…), ainsi que des champs de grandeurs scalaires (température, pH, mélange…).

Cet article propose une vue d’ensemble de l’imagerie et de son application en mécanique des fluides. Il présente les principaux montages expérimentaux utilisés, ainsi que leur mise en œuvre. Les aspects traitement du signal et gestion de l'information, essentiels dans ce cas, sont également abordés. Enfin, l'article illustre le potentiel de la technique via plusieurs exemples d'applications mettant l'accent sur le couplage et l'imagerie ultrarapide.

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ABSTRACT

Imaging techniques for fluid mechanics measurements

Imaging is a technique used in various fields related to fluid mechanics. It allows the measurement of geometric parameters such as size and shape, as well as scalar field variables like temperature, pH, and mixture.

This article provides an overview digital imaging and its application in fluid mechanics. It presents the main experimental setups used and their implementation. The aspects of signal processing and information management, crucial in this context, are also addressed. Finally, the article illustrates the potential of the technique through several examples of applications emphasizing coupling and ultra-fast imaging.

Auteur(s)

  • Sébastien CAZIN : Ingénieur de recherche CNRS - IMFT (UMR 5502 : CNRS, Toulouse INP, université UT3 Paul Sabatier), France

  • Gilles GODARD : Ingénieur de recherche CNRS - UMR 6614/CORIA, CNRS/INSA et université de Rouen, Saint-Étienne-du-Rouvray, France

  • Fabrice LAMADIE : Directeur de recherche CEA - CEA, DES, ISEC, DMRC, université de Montpellier, France

  • Pierre SLANGEN : Professeur - EuroMov Digital Health in Motion, université de Montpellier, IMT Mines Ales, France

INTRODUCTION

A travers les siècles, l’homme a observé les écoulements via des phénomènes naturels (nuages, fumées, algues…) et en a fait des représentations diverses pour chercher à en comprendre la phénoménologie. Tout un chacun a en tête certains dessins, certaines iconographies, de Leonard de Vinci ou de Giovanni Battista Venturi, matérialisant des zones de turbulence, ou encore des lâchers tourbillonnaires à l’aide de lignes de courant dessinées manuellement. Ces représentations, tout d’abord très qualitatives, ont peu à peu donné lieu, au fil du temps et des progrès technologiques, à des caractérisations plus quantitatives : mesures de vitesse, trajectographies, suivis d’objets dans les écoulements, interactions fluide-structures, mesures de concentrations, de températures, etc., et en s’appuyant sur l’imagerie et la visualisation.

Aujourd’hui, la caractérisation des écoulements en mécanique des fluides fait appel à de multiples techniques de mesure qui permettent d’explorer de nombreuses échelles spatiales et temporelles. Parmi elles, les techniques basées sur l’imagerie sont, sans aucun doute, parmi les plus fondamentales, et elles ont naturellement connu un essor important du fait de leur caractère non intrusif et de leur capacité à observer les écoulements à différentes échelles.

L’imagerie, tout d’abord analogique, a cédé le pas à l’imagerie numérique dans les années 1980 et au traitement d’images assisté par ordinateur, faisant basculer cette technique dans le domaine des techniques métrologiques. L’émergence des lasers, en parallèle, a ouvert la porte au couplage des techniques et à la mesure non intrusive d’écoulements de plus en plus complexes, notamment les écoulements polyphasiques. Aujourd’hui, l’apparition des méthodes d’intelligence artificielle, qui sont en train de révolutionner l’imagerie et le traitement d’images, laisse augurer d’un avenir encore plus riche pour cette technique.

Cet article propose un état de l’art des techniques d’imagerie pour la mesure en mécanique des fluides. Il détaille, tout d’abord, les différents types de montages expérimentaux basés sur l’imagerie, en traitant dans le détail les matériels rencontrés et en proposant quelques exemples de référence. Ensuite, la question du traitement du signal menant à l’extraction d’informations physiques quantitatives dans les écoulements est discutée. Et enfin, des exemples tirés de différents travaux récents de recherche sont présentés à titre d’illustrations.

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KEYWORDS

imaging   |   signal processing   |   fluorescence   |   Fluid mechanics   |   shadowgraphy   |   scalar fields

DOI (Digital Object Identifier)

https://doi.org/10.51257/a-v1-r2164


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BIBLIOGRAPHIE

  • (1) - BOUTIER (A.) -   Métrologie laser pour la mécanique des fluides – Granulometrie et techniques spectroscopiques – Tomes 1 et 2.  -  Cachan (2012).

  • (2) - HOLST (G.) -   Scientific CMOS image sensors,  -  Laser Phot., vol. 5 (2009).

  • (3) - KHALIL (A.), PUEL (F.), CHEVALIER (Y.), GALVAN (J.M.), RIVOIRE (A.), KLEIN (J.-P.) -   Study of droplet size distribution during an emulsification process using in situ video probe coupled with an automatic image analysis.  -  Chem. Eng. J., vol. 165, n° 3, pp. 946–957, doi: 10.1016/j.cej.2010.10.031 (2010).

  • (4) - MAAß (S.), ROJAHN (J.), HÄNSCH (R.), KRAUME (M.) -   Automated drop detection using image analysis for online particle size monitoring in multiphase systems,  -  Comput. Chem. Eng., vol. 45, pp. 27–37, doi: 10.1016/j.compchemeng.2012.05.014 (2012).

  • (5) - SETTLES (G.S.), HARGATHER (M.J.) -   A review of recent developments in schlieren and shadowgraph techniques,  -  Measurement Science and Technology, vol. 28, n° 4. Institute of Physics...

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