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Article

1 - MÉTHODES DE VISUALISATION

2 - INTERFÉROMÉTRIE

3 - VÉLOCIMÉTRIE LASER

4 - MÉTHODES DE MESURES EN HYPERSONIQUE

  • 4.1 - Spectrométrie d’absorption par diode laser accordable
  • 4.2 - Fluorescence par faisceau d’électrons
  • 4.3 - Fluorescence laser

5 - CONCLUSION

Article de référence | Réf : R2160 v3

Vélocimétrie laser
Visualisations et mesures optiques en aérodynamique

Auteur(s) : Alain BOUTIER, Henri ROYER

Date de publication : 10 mars 1998

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RÉSUMÉ

Cet article a pour objet la description des méthodes de visualisation optiques, méthodes qui  visent à améliorer la connaissance de la structure des écoulements aérodynamiques. La naissance et la présence de phénomènes mettant en cause un déplacement d’air ou de liquide, comme une onde de choc, un décollement de couche limite ou une transition entre régimes laminaire et turbulent deviennent ainsi observables. Ces techniques au caractère non intrusif permettent la mise en évidence et l’amplification de ces manifestations.

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Auteur(s)

  • Alain BOUTIER : Docteur-Ingénieur, - Habilité à diriger des recherches, - Ingénieur de l’École supérieure d’optique - Maître de recherches à l’ONERA (Office national d’études et de recherches aérospatiales)

  • Henri ROYER : Docteur-Ingénieur, - Ingénieur de l’École supérieure d’optique - Maître de recherches à l’ISL (Institut franco-allemand de Saint-Louis)

INTRODUCTION

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.

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VERSIONS

Il existe d'autres versions de cet article :

DOI (Digital Object Identifier)

https://doi.org/10.51257/a-v3-r2160


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3. Vélocimétrie laser

3.1 Classification des techniques

La détermination de la vitesse en mécanique des fluides est fondamentale pour avoir une meilleure connaissance du comportement des écoulements. La constitution de cartographies de vitesse de l’écoulement aide à déterminer la structure de l’écoulement et ses propriétés turbulentes, ce qui permet de valider les codes.

La vélocimétrie laser est une technique optique qui utilise de fines particules comme traceurs de l’écoulement pour déterminer les vitesses locales et leurs fluctuations ; beaucoup de schémas optiques ont été développés depuis le premier article publié par Yeh et Cummins en 1964 [1]. Nous allons d’abord classer les différentes techniques, qui se rapportent toutes à la vélocimétrie laser (avec des noms légèrement différents), car il est nécessaire de bien comprendre l’information délivrée par chaque type d’instrument.

La mise en œuvre d’un vélocimètre laser nécessite de traiter les sujets suivants :

  • les accès optiques et la nature de l’écoulement conditionnent généralement le schéma optique de l’appareillage à mettre en œuvre ;

  • comme les mesures sont généralement locales, les supports mécaniques déplaçant les optiques doivent être étudiés en fonction de l’environnement de l’installation ;

  • toutes les mesures reposant sur la présence de particules diffusantes, l’ensemencement de l’écoulement et la caractérisation des particules sont deux problèmes majeurs ;

  • le traitement des données conditionne la qualité des mesures ; les réglages influent sur la sensibilité aux différentes tailles de particules ; il faut aussi déterminer le temps nécessaire pour obtenir des statistiques convenables ;

  • le micro-ordinateur qui gère le vélocimètre laser a plusieurs fonctions : acquisition des données, traitement de ces données en tenant compte des conditions génératrices, affichage des résultats selon des courbes ou des cartes compréhensibles, déplacement du point de mesure, etc.

La vélocimétrie laser est devenue un moyen de mesure réellement opérationnel, ce qui s’est traduit dans le contenu des actes de nombreuses conférences internationales (cf. références [2] à [7]) et par plusieurs Lecture...

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BIBLIOGRAPHIE

  • (1) -   *  -  Nous donnons ici les références d’ouvrages qui font autorité dans les domaines concernés par cet article.

  • (2) - MERZKIRCH (W.) -   Flow visualization.  -  Academic Press, New York, 1974.

  • (3) - OERTEL sen. (H.)., OERTEL jun. (H.) -   Optische Strömungsmechanik.  -  G. Braun, Karlsruhe, 1974.

  • (4) - WOLTER (H.) -   Strioscopie et contraste de phase.  -  Handbuch der Physik, t. XXIV, Springer Verlag, Heidelberg, 1956.

  • (5) - BRUHAT (G.) -   Cours d’optique,  -  Parties II et V. Masson, Paris, 1965.

  • (6) - FRANCON (M.) -   Interférences, diffraction et polarisation.  -  Handbuch der Physik, t. XXIV, Springer Verlag, Heidelberg, 1956.

  • ...

1 Principaux congrès

Ce sont ceux cités dans les références et .

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2 Constructeurs

Les constructeurs d’appareillages commerciaux en vélocimétrie laser et PIV sont :

Pour le vélocimètre 2 points, il s’agit de Polytec GmbH en Allemagne : http://www.polytec.com/ger/

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