Le bassin de Boulogne-sur-Mer et ses moyens de mesures

III.1.2.1.a) Le bassin d’essais :

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Toute la modélisation expérimentale de l’impact local des tables à huîtres sur le courant a été réalisée dans le bassin d’essais Ifremer à Boulogne-sur-Mer (figure III.4). Ce bassin est une boucle verticale de circulation d’eau, possédant une surface libre et délivrant des caractéristiques hors norme : une zone utile de 18 mètres de long, 4 mètres de large et 2 mètres de profondeur ainsi qu’une vitesse d’écoulement variable allant de 0.10 m.s-1 à 2 m.s-1. La turbulence naturelle (propre au bassin) y est inférieure à 10 % (5 % pour un courant de 0.5 m.s-1). Une partie vitrée de 8 mètres par 2 mètres située sur un des côtés de la veine permet une visualisation directe du comportement des maquettes et de la localisation du point ou de la surface de mesure.

III.1.2.1.b) Les moyens de mesures :

Nous avons utilisé deux techniques de mesure, non intrusives: un système de vélocimétrie laser Doppler (LDV : Laser Doppler Velocimetry) à deux composantes et un système de vélocimétrie par images de particules (PIV : Particle Image Velocimetry).

La PIV est une méthode optique permettant d’obtenir, à la différence de la LDV, un champ de vecteurs vitesses bidimensionnel dans un plan de l’écoulement étudié, et non pas une vitesse ponctuelle.

Le système de mesure est composé :

- d’un laser haute puissance et son système optique associé (laser à deux chambres Gemini PIV Nid-Yag 2 x 120 mJ à 15 Hz).

- D’une caméra CCD (Hi-sense, 1280 x 1024 pixels2, fréquence maximale 4 Hz, longueur focale de la lentille 60 mm avec un filtre de 3 nm de longueur d’onde).

- Du fluide étudié auquel des particules réfléchissantes ont été ajoutées. Dans notre cas, l’ensemencement du bassin a été réalisé avec des billes de verre recouvertes d’argent d’un diamètre moyen de 15µm.

99 Figure III.5: principe de la technique PIV

Le principe de la mesure est simple : le laser agit comme un flash d’appareil photo. Les particules recouvertes d’argent, voyageant à la vitesse de l’écoulement, réfléchissent cette lumière. La lumière réfléchie est alors détectée par la caméra et les images du champ de particules sont enregistrées (figure III.5).

Dans notre cas, les plans laser réalisés par PIV sont des plans verticaux situés sur l’axe longitudinal médian. Le laser est donc placé en aval de notre maquette. Il émet deux impulsions lumineuses décalées d’un temps très court ∆t égal à 3 ms. La caméra, placée derrière les fenêtres d’observation, prend deux photos synchronisées avec les impulsions du laser. Plusieurs séries de « double-images » sont ainsi enregistrées. Le facteur limitant de l’acquisition est la fréquence maximale de la caméra, soit 4 Hz (la fréquence du laser est de 15 Hz). Le temps séparant deux « double-images » est donc fixé à t = 250 ms.

Le post-traitement des images, dont la taille est 284 mm x 227 mm (soit 1 pixel = 0.222 mm), est effectué par intercorrélation d’images à l’aide du logiciel Flow Manager de Dantec Dynamics. Les deux images obtenues par la caméra sont découpées en petites cellules de 16 x 16 pixels, appelées zones d’interrogation. Afin de traiter les particules qui sortent de la zone d’interrogation étudiée, une zone de recouvrement (en horizontal et en vertical) de 25 % est définie. Dans chaque zone d’interrogation, on va chercher les positions des particules et ainsi en déduire leur déplacement moyen δz entre les deux images. On obtient ainsi la vitesse locale de l’écoulement par la relation :

100

z

u S

t

Où S est le facteur d’échelle de l’image et u le vecteur vitesse dans le plan du faisceau laser.

Un critère de qualité est défini sur les composantes de chaque vecteur vitesse obtenu afin d’enlever les valeurs aberrantes. Enfin, un filtre est appliqué, qui permet de substituer chaque vecteur vitesse par la moyenne de ses plus proches voisins. Il faut généralement 80 « doubles-images » pour obtenir un champ moyen de vitesse.

La LDV (aussi appelée LDA pour Laser Doppler Anemometry) est aussi une méthode de mesure optique permettant d’obtenir la valeur de la vitesse (ainsi que ses fluctuations) de l’écoulement en un point.

La technique consiste à se placer en un point de l’écoulement et à éclairer cette zone à l’aide de deux faisceaux de même longueur d’onde. Ces deux faisceaux sont issus de la même source laser (figure III.6), précédemment décrite, et sont focalisés, par le biais d’une lentille, au point voulu que l’on appelle « volume de mesure ». Un réseau de franges d’interférence est ainsi créé (faisceau de même longueur d’onde). Dès qu’une particule traverse le volume de mesure et son réseau de franges, elle émet de la lumière à une certaine fréquence (à chaque passage sur une frange lumineuse, cf figure III.7).

101 Figure III.7: fonctionnement de la LDV (extrait de (Pichot, 2007))

Connaissant la distance d entre deux franges, il est aisé de calculer la composante de la vitesse de la particule par la formule :

u fd (48)

La LDV disponible au bassin d’essais Ifremer de Boulogne-sur-Mer est une LDV à deux composantes : la source laser est décomposée en deux rayons ayant des longueurs d’onde différentes (514.5 nm et 488 nm) permettant ainsi une mesure bidimensionnelle de la vitesse de l’écoulement. Au total, quatre faisceaux (deux verts et deux bleus, cf figure III.8) se croisent donc dans le volume de mesure, formant ainsi deux réseaux perpendiculaires de franges d’interférence. Les dimensions du volume de mesure sont : 0.1 mm dans la direction principale de l’écoulement et 2.5 mm dans la direction transverse. Les particules d’ensemencement sont les mêmes que celles utilisées pour la technique PIV.

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Figure III.8: Système LDV mesurant sous une table à huîtres

Notons que la mesure LDV ne se fait pas à une fréquence fixe, le temps entre deux mesures étant en effet dépendant du passage d’une particule dans le réseau de franges du volume de mesure.