Anémométrie à fil chaud

Afin de pallier le manque de résolution dans la couche limite lors des mesures de profils de vitesse, l’utilisation d’un anémomètre à fil chaud à température constante (CTA) a été nécessaire. L’avantage considérable du fil chaud sur le tube de Pitot, pour ce type de mesure, est son faible encombrement et donc sa grande résolution spatiale. En effet, la sonde mise en œuvre utilise un fil de tungstène de 5 µm de diamètre et de 1,25 mm de long permettant ainsi de correctement décrire la couche limite de l’écoulement d’air au niveau du bord de fuite de l’injecteur (Figure 3.2 et Figure 3.3). Le deuxième avantage de ce moyen de

Profil de vitesse - Anémométrie mesure est sa réponse fréquentielle pouvant atteindre 100 kHz. Cette capacité a ainsi permis de faire simultanément des mesures de fréquence en monophasique.

Figure 3.2: Position du fil chaud pour la mesure des profils de vitesse

Figure 3.3 : Fil chaud utilisé pour la mesure des profils de vitesse et l’étude fréquentielle en aval de

l’injecteur

L’anémomètre fil chaud de type CTA consiste à imposer la température d’un fil de tungstène chauffé par effet joule. Lorsque le fil subit une variation du flux de chaleur liée à une variation de vitesse de l’écoulement, la tension imposée aux bornes du fil va varier afin de maintenir la température du fil de tungstène désirée. Cependant la relation entre la tension imposée (qui est représentative de la mesure récupérée en sortie de l’anémomètre) et la vitesse de l’écoulement autour du fil chaud n’est pas linéaire. Il est donc nécessaire d’en tenir compte lors de l’étalonnage du fil chaud. En effet, du fait du caractère non-linéaire de la relation, la tension moyenne mesurée lors de l’étalonnage peut ne pas correspondre à la vitesse moyenne réelle de l’écoulement (Figure 3.4). Ce type de différence est présent lorsque la mesure est effectuée dans une zone avec des fluctuations non négligeables de vitesses.

Figure 3.4 : Influence de la turbulence lors de la calibration d'un fil chaud [19]

Dans le cas de cette étude, la soufflerie mise en place ayant été conçue pour obtenir un écoulement d’air laminaire, l’étalonnage est effectué directement au centre de la veine d’essai afin de bien se situer dans une zone stable. La vitesse de référence est obtenue en plaçant un tube Pitot juste à côté de notre sonde fil chaud. Afin de tenir compte des variations possibles des conditions expérimentales et des dérives possibles de la chaîne de mesures, les étalonnages sont répétés toutes les deux heures, et toujours en début et fin de session expérimentale.

La relation utilisée pour calculer la vitesse réelle dans la veine d’essai à partir de la tension E mesurée aux bornes du fil chaud est la loi de King ( 3.1 ).

𝐸² = 𝐸₀²+ 𝐵_𝐾. 𝑢_𝑔^𝑛𝐾 ( 3.1 )

Où 𝐸₀², B et n sont des constantes identifiées à partir de l’étalonnage qui est effectué sur toute la gamme de vitesse considérée (0 à 100 m/s) avec un pas rapproché pour les faibles vitesses d’air.

Les calibrations réalisées au cours des expériences montrent une incertitude entre la valeur obtenue par le tube de Pitot et la valeur calculée par la loi de King inférieure à 1 % dès lors que la vitesse est supérieure à 2 m/s. La Figure 3.5 donne un exemple de calibration.

Pour la détermination de vitesse de référence, la pression différentielle au niveau du tube de Pitot est mesurée avec un capteur de pression différentiel Rosemount 951 ayant une précision de ± 0,25 %. Le calcul de la vitesse à partir de ce différentiel de pression introduit aussi une incertitude de 1 % du fait du calcul de la masse volumique de l’air. L’incertitude sur la mesure de vitesse de référence (tube Pitot) est alors inférieure à 0.5 %. Finalement, l’incertitude sur la mesure de vitesse par fil chaud est estimée inférieure à 1,5 %.

Figure 3.5 : Comparaison entre les valeurs calculées à partir de la loi de King issue de la calibration et les valeurs de vitesses mesurées à l’aide du tube de Pitot

Ce moyen de mesure permet ainsi de caractériser de façon précise la couche limite de l’écoulement d’air au niveau des lèvres de l’injecteur. Au cours de ces travaux, la vitesse

Profil de vitesse - Anémométrie maximale de l’écoulement a également pu être déterminée. Cette vitesse est primordiale car elle sert de vitesse de référence pour le gaz lors des identifications de régimes (§ 1.4.1) et pour les corrélations proposées par les différents auteurs (§ 1.4.2). Elle correspond également à la vitesse d’air (u_g) utilisée pour caractériser les conditions expérimentales lors de nos différentes mesures. Grâce à la très bonne réponse en fréquence de cet outil expérimental, la méthode d’anémométrie à fil chaud a été utilisée pour caractériser les fluctuations de vitesse engendrées en aval de l’injecteur en monophasique, par les allées tourbillonnaires de type Von Karman rencontrées à l’aval d’obstacles (§ 5.2.1). Cette technique a également été utilisée pour mesurer la fréquence de l’écoulement d’air en amont de l’injecteur en écoulement monophasique ou diphasique (§ 5.2.1). Pour ce faire, une sonde a été introduite dans la conduite (Figure 3.6 et Figure 3.7). Les signaux obtenus sont préalablement filtrés à une fréquence de coupure de 2500 Hz avant d’être analysés par FFT ou convertis en vitesse pour les relevés de profil de vitesse.

Cependant l’anémométrie à fil chaud présente également des inconvénients. Elle ne peut être mise en œuvre qu’en monophasique du fait de la fragilité de la sonde et, dans le cas présent, l’utilisation d’un seul fil ne permet de mesurer qu’une composante de la vitesse. De plus, de par son principe, cette technique ne permet pas de déterminer la direction de l’écoulement. C’est pour cette raison que les mesures fils chauds ont été réalisées seulement en bord de fuite de l’injecteur et dans la veine d’essai mais pas pour des mesures en aval de l’injecteur où son sillage provoque des zones de recirculation.

Figure 3.6 : Position du fil chaud pour la mesure

fréquentielle en écoulement diphasique Figure 3.7 : Fil chaud utilisé pour la mesure fréquentielle en amont de l’injecteur