Équipement

2.4.2.1 Ensemencement

L’ensemencement de la veine d’établissement est effectué à 0, 45 m en aval du convergent entre la rangée de générateurs de turbulence verticaux et la barrière (fig. 2.2.1). Un générateur de fumée, Techno-Haze, placé sous la veine génère de la fumée à partir d’un mélange de glycol (alimentaire), de monopropylène glycol et d’eau déminéralisée. Ce liquide, dénommé Pro Haze Fluid (produit par Martin Manufacturing), est spécialement conçu pour la mise en valeur lumineuse sans effet d’épais paquets. Dans un premier temps, la fumée remplit un caisson en bois fixé sous le plancher de la veine. La fumée pénètre ensuite dans la veine par une fente longue de 0, 56 m et large de 0, 03 m. Les gouttelettes ainsi générées possèdent typiquement un diamètre moyen de 1 µm et n’altèrent pas significativement la dy-namique de l’écoulement (densité relative de 1, 05 à 20◦C ; Raffel et al., 2007). Se situant à 19, 5 m en aval du convergent, la zone d’étude est parfaitement ensemencée, latéralement et verticalement sur toute l’épaisseur de la CS, pour les mesures PIV. Toutefois, au-delà de z = 5 h, l’ensemencement semble moins homogène, discontinu, de telle sorte que certaines images manquent significativement de particules éclai-rées et sont inexploitables. Une sélection des images est mise en place afin que ces images inexploitables soient ignorées et que les champs de vitesse correspondant ne viennent pas biaiser les statistiques.

Figure2.4.2 – Distribution polaire de l’intensité lumineuse diffusée par une particule sphérique d’huile (diamètre 1 µm) dans l’air et éclairée par une lumière d’une longueur d’onde de 532 nm, suivant la théorie de Mie (van de Hulst, 1957 ; d’après Raffel et al., 2007).

Lorsqu’une particule est éclairée par une onde lumineuse, certains axes d’observation, par rapport à la direction de l’onde, sont à privilégier (Raffel et al., 2007). En pratique, l’angle d’observation n’est jamais optimal. En effet, la caméra ne peut pas être positionnée face à la lumière du laser (angle de 180˚ sur la fig 2.4.2) car le capteur optique de la caméra ne peut pas supporter l’intensité lumineuse diffusée par les particules (mais surtout la lumière directe). Il est nécessaire de choisir un angle d’observation pour lequel l’intensité lumineuse renvoyée sera plus faible.

2.4.2.2 Système laser

L’instrument adéquat pour obtenir deux impulsions de lumière monochromatique avec un intervalle de temps court et ajustable est le laser pulsé à double cavité. Ce type de laser permet de générer deux impulsions de haute énergie quasi-identiques. Le fonctionnement de ce laser est schématisé sur la figure 2.4.3 (ici un laser Nd :YAG au regard des longueurs d’onde précisées). Ce type de laser pulsé fonctionne avec un mode "Q-switching", l’ouverture des cavités s’effectuant grâce à un permuteur optique. Initialement, ce laser émet un faisceau de lumière avec une longueur d’onde de 1064 nm (infrarouge) à partir de la première cavité. Le faisceau passe par plusieurs optiques (générateur d’harmonique et séparateur d’harmonique, entre autre) qui vont doubler la fréquence et donc réduire la longueur d’onde à 532 nm (vert). Étant dans le visible, le faisceau est plus facile à régler et les caméras y sont plus sensibles. Après un intervalle de temps prédéfini, un second faisceau est émis depuis la seconde cavité. Par le jeu des miroirs internes, ce faisceau suit le même trajet que le précédent.

Le laser utilisé au cours de cette étude est un laser Nd :YAG modèle Dual Power 200-15 (type : Litron Nano L 200-15 PIV) fournit par Dantec Dynamics. L’énergie des impulsions peut atteindre 200 mJ par impulsion. La durée de ces impulsions est d’au maximum 9 ns et la fréquence des paires d’impulsions peut atteindre un maximum de 15 Hz. En fonction de la configuration de mesure, différentes optiques sont montées en sortie du laser. Pour des plans de mesure verticaux, le laser est positionné sur un support fixe sous la veine à l’aplomb de la zone d’étude. Un des panneaux du modèle de canopée est spécialement

Figure2.4.3 – Schéma d’un laser pulsé à double cavité de type Nd-YAG.

équipé d’une vitre permettant d’illuminer les particules par dessous en supprimant les réflexions directes sur le sommet des obstacles. Afin d’ajuster la position de la nappe laser par rapport à l’agencement des obstacles, le support du laser permet de déplacer aisément ce dernier dans le plan horizontal. Pour que le tir laser soit vertical, une optique, fixée en sortie du laser, contenant un miroir incliné dévie la trajectoire du faisceau de 90◦. Puis, un ajusteur d’épaisseur de nappe est fixé sur la précédente optique. Le faisceau laser d’un diamètre initial de 6, 5 mm est conditionné en une nappe d’une épaisseur estimée à 3 mm (angle de divergence : 30◦-35◦). Lorsque le plan de mesure est horizontal, la laser est positionné sur un support fixe à hauteur du plan d’observation étudié et seul l’ajusteur d’épaisseur est nécessaire. Dans cette configuration, le tir laser se fait à travers l’une des parois latérales de la veine.

2.4.2.3 Caméras

Parmi les différents organes du système PIV, les caméras ont pour rôle de capter la présence des particules illuminées par le laser à deux instants donnés et d’enregistrer la distribution de l’intensité lumineuse sur les deux images associées. L’enregistrement doit permettre d’identifier le plus distinctement possible la position des particules.

Des caméras CCD (Charge-Coupled Device) sont donc utilisées car elles permettent de convertir un signal lumineux en un signal numérique instantané. Lors d’un enregistrement, chaque pixel de la puce CCD est associé à une tension. L’ensemble des tensions est transposé en des niveaux de gris, composant une image bi-dimensionnelle. Lorsqu’il n’y a pas d’information lumineuse (pas de particule), le pixel de la puce CCD n’est pas sollicité et la portion de l’image correspondante reste noire. Il est évident que plus l’intensité lumineuse des particules éclairées est importante, plus le contraste de l’image numérique améliore l’estimation du déplacement des particules éclairées.

Au cours des campagnes de mesure par PIV, des caméras CCD Dantec Dynamics FlowSense 4M équipées d’un objectif Nikon AF DC-NIKKOR 105 mm f/2D ont été utilisées. Lors des expériences, les objectifs sont ouverts au minimum : f/2. Ces caméras possèdent une résolution de 2048 × 2048 pixels.

Dans le cadre de la PIV 2C, une seule caméra est employée. Celle-ci est positionnée perpendiculairement au plan d’observation. Afin de faciliter les réglages de sa position dans l’espace, la caméra est fixée sur un assemblage de platines compactes de translation de précision. Les réglages de l’ouverture de l’objectif et de la mise au point sont effectués à distance grâce au logiciel Remote Camera Control fournit par

Figure 2.4.4 – Photographie d’une caméra lors d’une mesure SPIV. L’ensemble objectif-table de Scheimpflug-camera est fixé sur un assemblage de platines permettant les translations longitudinale et verticale ainsi qu’une rotation dans le plan horizontal.

Dantec Dynamics.

Dans le cadre de la PIV 3C, deux caméras munies d’une table de Scheimpflug chacune sont nécessaires. Ces deux caméras sont positionnées en configuration angulaire dont les paramètres varient en fonction du plan de mesure réalisé. Les réglages de position et de rotation de chaque caméra sont effectués grâce à plusieurs platines de translation et une de rotation (fig. 2.4.4). Le logiciel Remote Camera Control permet de régler l’ouverture de l’objectif, la mise au point (comme pour la PIV 2C) et de piloter la table de Scheimpflug réglant l’angle de rotation du capteur CCD afin de respecter le critère de Scheimpflug (décrit sect. 2.4.6.1).