c L’échantillonnage anisocinétique du FSSP

Dans le but d’étudier l’influence de la vitesse du vent sur les mesures du FSSP, trois expériences additionnelles, comprenant le SPP installé sur le mât à côté du FSSP, ont été effectuées du 13 au 15 Novembre 2013. L’objectif de cet étude est d’utiliser la vitesse de transit fournie par le SPP pour quantifier le volume d’échantillonnage du FSSP en fonction de la vitesse du vent et la vitesse d’aspiration de la pompe, afin d’obtenir une meilleure compréhension des processus d’échantillonnage dans les inlets.

Le SPP fournit une estimation de la vitesse d’une gouttelette passant dans le volume d’échantillonnage. Idéalement, cette vitesse de transit à travers le faisceau laser est identique à la vitesse d’échantillonnage du SPP. Ceci nous permet donc d’estimer les valeurs et les variations du volume d’échantillonnage, nécessaires au calcul de la concentration, en supposant que la vitesse de l’air soit très proche de la vitesse de la particule. Le SPP a été installé à la place du FSSP, sa vitesse d’échantillonnage théorique est de 9 m.s-1. Les instruments sur le mât ont toujours été utilisés coaxiallement avec le vent.

Du 13 au 15 Novembre, les vitesses de vent furent comprises entre 0 et 15 m.s-1 et le LWC entre 0 et 1 g.m^-3. Le temps de transit montre des variations relativement élevées allant de 7 à 12 µs. Le temps de transit est théoriquement inversement proportionnel à la vitesse de transit. Ces valeurs correspondent à des vitesses de transit du SPP comprises entre 15 et 25 m.s^-1. Ces vitesses sont donc plus élevées que la vitesse théorique de 9 m.s^-1 qui a été prise en compte dans le traitement des données du SPP et du FSSP. Même si la vitesse de transit dépend de la distribution en taille des particules, ces différences pourraient expliquer la surestimation de la concentration et du LWC obtenue à partir des données des FSSPs. Une erreur sur la détermination de la DOF ou de la vitesse de l’air, combiné avec l’absence de calibration en nombre, mène donc à de potentiels biais importants même si les instruments sont toujours capables de reproduire correctement les variations des propriétés nuageuses.

L’étape suivante consiste à étudier les variations du temps de transit du SPP avec la vitesse du vent et à la vitesse d’aspiration de la pompe. La figure IV.16 présente ces comparaisons avec les données moyennées à 1 minute. Le diamètre effectif mesuré par le SPP est représenté par la couleur des points. Cette expérience ne permet pas de mettre en évidence une relation entre la vitesse du vent et le temps de transit du SPP. Il faut souligner que les valeurs de diamètre effectif supérieur à 20 µm ont été observées pendant une relative courte période de temps durant laquelle la vitesse du vent était inférieure à 7 m.s^-1. Les gouttes plus petites que 20 µm ont un temps de transit entre 6 et 14 µs alors que, pour les gouttes supérieures à 20 µm, il est compris entre 7 et 10 µm. Les petites particules ont tendance à suivre les lignes de courant et montrent donc une dispersion élevée sur le temps de transit. Ceci démontre l’anisotropie de

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l’aspiration et la présence de turbulence. En effet, dans ces conditions non-isocinétiques et pour les nombres de Reynolds considérés ici (aux alentours de 2.10⁴), des flux turbulents sont attendus à l’intérieur et dans la zone très proche des inlets. La figure IV.16 montre également que le temps de transit fluctue indépendamment de la vitesse d’aspiration de la pompe, qui est très stable en comparaison. Par conséquent, il n’existe pas d’explication simple pour décrire les valeurs absolues et les variations observées du temps de transit du SPP.

Figure IV.15 : Comparaison entre le débit du volume d’échantillonnage du FSSP en cm3.s-1 et la vitesse du vent en kts, d’après Choularton et al. (1986). Les données ont été moyennées

sur 10 secondes.

Figure IV.16 : Temps de transit du SPP en fonction de la vitesse du vent extérieur (gauche) et de la vitesse d’aspiration de la pompe (droite). La couleur des points indique le diamètre

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Sur la figure IV.15, Choularton et al. (1986) compara le débit du volume d’échantillonnage V du FSSP aux valeurs de vitesse du vent. Dans cette expérience, un FSSP au sol était relié à un ventilateur d’une vitesse d’échantillonnage de 26 m.s-1, ce qui correspond à une valeur de V de 8.14 cm³.s^-1 sans vent extérieur. La vitesse du vent oscillait entre 10 et 20 m.s^-1. Le débit du volume d’échantillonnage V du FSSP augmenta de 12 à 16 cm3.s^-1 avec la vitesse du vent, ce qui correspond à une vitesse d’échantillonnage augmentant de 28 à 51 m.s-1. Choularton et al. (1986) en conclut que la vitesse d’aspiration et donc le débit du volume d’échantillonnage sont modifiés par la pression de l’air exercée par le vent dans le tube d’échantillonnage, ceci s’appelle l’effet d’enfoncement (ramming effect).

Cet effet d’enfoncement n’a pas été observé durant les expériences de Novembre 2013, comme le montre la figure IV.16. Tout d’abord, la vitesse d’échantillonnage était plus élevée que ce qui était attendu (15 ou plus au lieu de 9 m.s^-1). Les résultats de la figure IV.15 montrent que l’effet d’enfoncement n’explique ni la variabilité élevée du temps de transit du SPP, ni la surestimation de la concentration, à la fois pour le SPP et le FSSP. D’un autre côté, les variations du temps de transit mesurées par le SPP vont dans le sens des variations de la concentration en nombre lorsque l’on compare au PWD, observées sur les figures IV.19 et IV.20. En supposant que le SPP et le FSSP ait le même comportement lors d’une utilisation au sol, la variabilité élevée de la vitesse d’échantillonnage mène à des incertitudes relativement élevées sur les concentrations, les extinctions et les LWC mesurés par les FSSPs. C’est pourquoi la concentration et l’extinction du FSSP montrent de fortes incohérences avec les instruments de la soufflerie (SPP et CDPs) et le PWD.

Sur la figure IV.17, Gerber et al. (1999) compara les mesures de LWC du FSSP et du PVM-100 lors d’une campagne au sol. Cette étude montre l’importance de quantifier précisément la vitesse et la direction du vent extérieur et l’orientation des instruments. Cette étude suggère que le FSSP surestime la concentration à cause des trajectoires des gouttes à l’intérieur de l’inlet lorsque la vitesse de l’air ambiant est inférieure à la vitesse dans la région du volume d’échantillonnage. Un modèle de trajectoire a été utilisé pour comprendre si l’aspiration utilisée pour porter les gouttes à travers le tube d’échantillonnage du FSSP peut causer des fluctuations de la concentration au point où le faisceau laser interagit avec les gouttes. Ce modèle a donc été utilisé pour une vitesse d’échantillonnage de 25 m.s-1 et des vitesses de vent de 0 et 2 m.s^-1. L’écoulement de l’air converge et donc s’accélère dans l’inlet. Dans le même temps, les gouttes sont incapables de suivre les lignes de courant incurvées et, à cause de l’inertie des gouttes, montre une tendance à s’accumuler dans la région centrale de l’inlet où est localisé le volume d’échantillonnage.

La surestimation induite peut être déterminée par le facteur d’augmentation F défini comme le rapport entre la concentration de la région centrale de l’inlet du FSSP et la concentration ambiante. Ce facteur d’augmentation décroit lorsque la vitesse du vent augmente (de 0 à 2 m.s^-1) et augmente avec le rayon effectif des gouttes (de 0 à 25 µm). Pour un rayon effectif de 25 µm, l’augmentation de la concentration est comprise entre un facteur 3.5 et 30, selon la vitesse du vent. Pour des gouttes de rayon effectif inférieur à 5 µm, l’augmentation ne dépasse

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pas 10%. Le FSSP concentre les gouttes par inertie qui crée un artefact produisant de fausses concentrations, plus élevées que les valeurs de l’air ambiant (Gerber et al., 1999).

Figure IV.17 : A gauche, lignes de courant (trait plein) et trajectoires des gouttes (trait hachuré) associé à une accélération du débit d’air dans l’inlet du FSSP. La vitesse extérieure

du vent est nulle, le diamètre des gouttes est de 15 µm et l’aspiration produit une vitesse de l’air de 25 m.s-1 près du laser. A droite, rapport F entre les concentrations du FSSP et du PVM en fonction du rayon des gouttes r en µm et de la vitesse du vent, d’après Gerber et al.

(1999).

Pour comparer nos résultats avec ceux de Gerber et al. (1999), la figure IV.18 représente le rapport d’extinction entre le FSSP et le PWD, en fonction du rayon effectif fourni par le FSSP et de la vitesse du vent, pour toutes les mesures de la campagne. Le PWD a été choisi pour cette comparaison car il est le seul EPP à avoir fonctionné sur l’ensemble de la campagne. Les valeurs les plus faibles d’extinction du PWD ont été retirées des calculs afin d’éviter des valeurs non réalistes sur les rapports. Les rapports d’extinction ou de LWC (utilisé dans Gerber et al. (1999)) sont similaires en supposant que les différences sont dues à une quantification erronée du volume d’échantillonnage. Même si le PWD a été choisi comme instrument de référence, le rapport sur l’extinction est similaire au facteur d’augmentation F de l’étude de Gerber et al. (1999). Les résultats de la figures IV.18 montrent des valeurs absolues et une variabilité du rapport élevées dès lors que les valeurs de vitesse de vent sont faibles. Ce rapport converge vers une valeur constante d’environ 2.5 lorsque la vitesse du vent est supérieure à 5-6 m.s-1. Cependant, pour des vitesses de vent faibles, une augmentation de ce rapport en fonction de la taille de la particule peut être observée à partir de 6 µm de diamètre, ce qui s’accorde avec les conclusions de Gerber et al. (1999). Pour des diamètres inférieurs à 6 µm, l’importante dispersion des points peut révéler l’existence de potentiels flux turbulents dans l’inlet qui entraineraient les plus petites particules et altéreraient ainsi la qualité des mesures.

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Figure IV.18 : Rapport entre les extinctions du FSSP et du PWD en fonction du rayon effectif des gouttes nuageuses et de la vitesse du vent extérieur, sur toute la durée de la campagne.

Ainsi, un accord relativement bon entre l’effet de l’inertie sur la mesure de la concentration démontré par Gerber et al. (1999) et les résultats de la campagne d’intercomparaison a été observé. Par conséquent, des preuves ont été trouvées qui tendent à montrer que les mesures du FSSP en cas de vent à faible vitesse doivent être retirées du jeu de données si les variations ne sont pas corrélées avec les autres instruments.