3.1.5 Conclusion
Les principes de fonctionnement et les ph´enom`enes responsables de l’erreur de mesure ont ´et´e rappel´es. Les fils froids et les thermocouples sont des instruments tr`es faciles `a mettre en œuvre et peu chers. Cependant, leur utilisation est conseill´ee lors d’´ecoulements tr`es peu turbulents ou lorsqu’on ne d´esire que la partie moyenne de la temp´erature. Si ce n’est pas le cas, l’inertie de la sonde demeure un s´erieux probl`eme face aux fluctuations de temp´erature. De plus, des param`etres tels que le rayonnement ´energ´etique, les pertes dues `a la conduction et la convection sont difficiles `a estimer mais restent n´ecessaires pour obtenir une bonne approximation de la temp´erature.
Concernant la mesure de temp´erature dans les jets supersoniques, l’introduction d’une sonde dans l’´ecoulement entraˆıne l’apparition d’une onde de choc en amont de celle-ci. Il existe des relations de passage entre l’´ecoulement en amont et en aval `a l’onde de choc, cependant, elles n´ecessitent la connaissance du nombre de Mach de part et d’autre du choc. Pour pallier `a ces probl`emes, dans le but d’´etudier des ´ecoulements fortement turbulents et chauds, de nouvelles techniques, dˆıtes non-intrusives, ont ´et´e d´evelopp´ees. Nous nous proposons d’en pr´esenter quelques unes dans la suite.
3.2 Mesures non-intrusives de la temp´erature
3.2.1 Introduction
L’int´erˆet port´e aux ´ecoulements en r´egime supersonique et fortement turbulents a eu pour cons´equence un ´elan de recherche sur les m´ethodes de mesures optiques non-intrusives. Ces m´ethodes permettent d’effectuer des mesures `a distance sans perturber le domaine ´etudi´e.
De plus, leur bande passante ne d´epend que du syst`eme de r´eception et n’est plus un probl`eme majeur comme elle l’est d`es lors qu’on utilise des thermocouples. Le fait de ne rien introduire dans l’´ecoulement offre la possibilit´e de travailler `a de plus hautes temp´eratures. H´elas, ces m´ethodes n´ecessitent des outils de mesure tr`es chers et beaucoup plus diffi-ciles `a mettre en oeuvre.
Les m´ethodes non-intrusives de mesure de temp´erature peuvent ˆetre s´epar´ees en trois groupes principaux : la pyrom´etrie, les m´ethodes spectroscopiques utilisant les pro-pri´et´es microscopiques des mol´ecules constituant le gaz (diffusion Rayleigh, ...). Le troisi`eme groupe comprend les m´ethodes se reposant sur les variations de propri´et´es ma-croscopiques avec la temp´erature [8].
Nous pr´esentons succinctement ces diverses m´ethodes.
3.2.2 Mesures pyrom´etriques
La thermographie infrarouge est une technique permettant de mesurer le rayonnement thermique ´emis par tous les points de la surface d’un objet [4]. On peut par la suite
obtenir la temp´erature de ces points. Le principe repose sur le fait que toute mati`ere ´emet de fa¸con continue un rayonnement ´electromagn´etique dont la distribution spectrale d´epend de l’´emissivit´e et de la temp´erature de la surface du corps ´etudi´e. Cette ´emission ´electroma-gn´etique est appel´ee “rayonnement thermique” et est donn´ee par la formule ci-dessous :
M = ε(T )σT4 (3.6)
avec ε(T ) l’´emissivit´e du mat´eriau `a la temp´erature T et σ la constante de Boltzmann.
Ce rayonnement est le plus souvent situ´e dans le domaine des infrarouges et peut ˆetre capt´e par des appareils connus sous le nom de radiom`etre mesurant l’intensit´e du rayonnement. Cependant la temp´erature mesur´ee ne correspond pas `a la temp´erature r´eelle de la surface vis´ee : on l’appelle temp´erature de luminance TL. En effet, les constructeurs ´etalonnent leurs appareils sur des corps noirs (corps id´eal rayonnant le maximum d’´energie `a une temp´erature donn´ee). C’est pourquoi lors d’une mesure, il faut traduire la temp´erature mesur´ee en temp´erature ´equivalente du corps noir puis en temp´erature r´eelle en faisant intervenir l’´emissivit´e du corps.
Il est `a noter que diff´erents param`etres viennent fausser la mesure : la transmission `a travers l’atmosph`ere entre la surface et le radiom`etre, la puissance issue d’objets envi-ronnant le domaine et ´emise par r´eflexion, et enfin la puissance ´emise par l’atmosph`ere “chaude”. Cette m´ethode reste n´eanmoins intrusive dans l’´etude thermique d’un gaz car il est n´ecessaire d’introduire une surface dans le milieu afin d’obtenir un rayonnement.
Pour exemple, Joulain & Cotterau [30] ont effectu´e des mesures de temp´erature dans une flamme en introduisant un fil de tungst`ene.
3.2.3 Mesures optiques bas´ees sur des propri´et´es des mol´ecules
Les m´ethodes spectroscopiques permettent une mesure de la population d’une esp`ece sur un niveau discret d’´energie possible d’un atome (ou d’une mol´ecule). Dans le cas d’un gaz en ´equilibre thermodynamique, la population Ni d’un niveau d’´energie Ei est dict´ee selon la loi de Boltzmann :
Ni = N0
Z = gie
−kTEi (3.7)
o`u Z est la fonction de r´epartition, N0 la population totale de l’esp`ece et gi la d´eg´en´e-rescence du niveau d’´energie. La mesure de la population de plusieurs niveaux permet de d´eterminer la temp´erature et de tester l’hypoth`ese d’´equilibre thermodynamique entre les niveaux d’´energie.
3.2. Mesures non-intrusives de la temp´erature
Le principe en est le suivant : on illumine le gaz avec un faisceau LASER focalis´e (Fig. 3.2). Les mol´ecules diffractent une lumi`ere par la suite collect´ee `a angle droit par un syst`eme optique. Une analyse spectrale de l’intensit´e lumineuse re¸cue aboutit `a une mesure de population. Il existe trois formes de proc´ed´es de diffraction (Fig. 3.3).
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Fig. 3.2 – Sch´ema pour l’observation de diffraction d’un faisceau LASER par des mol´ecules
d’un gaz
Fig. 3.3 – Niveau d’´energie pour la diffraction Rayleigh (a), Raman (b), Fluorescence (c)
Diffraction Rayleigh
La diffraction Rayleigh est produite par les mol´ecules (Fig. 3.2.a). Les photons sont diffract´es dans toutes les directions et poss`edent la mˆeme ´energie que les photons LASER (Collisions ´elastiques avec des particules petites par rapport `a la longueur d’onde de la lumi`ere).
L’intensit´e ´emise d´epend du nombre total de mol´ecules (donc de la masse volumique). Elle est par cons´equent inversement proportionnelle `a la temp´erature (sous condition de gaz parfait et de pression constante). L’intensit´e est faible et il est indispensable d’´eliminer tout rayonnement “´egar´e” `a la longueur d’onde du LASER. D’autre part, des particules en suspend peuvent provoquer une diffraction de Mie (D ∼ λ), autre source d’interf´erence.
Diffusion Raman spontan´ee
Dans le cas 3.2.b, l’atome retombe sur un niveau d’´energie sup´erieur : le photon poss`ede alors une fr´equence inf´erieure `a la fr´equence initiale. La diff´erence d’´energie correspond `a l’´energie de vibration. Ceci est int´eressant car les quanta vibrationnels d´ependent de l’´etat de rotation de la mol´ecule. Chaque ´etat de rotation donne un pic sur le spectre, s´eparable des autres apr`es une haute r´esolution spectrale. Ces ´etats sont peupl´es selon la loi de Boltzmann : une analyse spectrale nous donne la temp´erature de rotation, qui correspond dans la plupart des cas `a la temp´erature statique du gaz.
Diffusion Raman anti-stokes (DRASC)
Dans d’autres cas, l’atome retombe sur un niveau d’´energie inf´erieur. Ceci est r´ealisable lorsque l’´etat d’origine n’est pas l’´etat de repos. Le spectre de DRASC fournit les mˆemes informations qu’un spectre de Raman spontan´e, cependant le signal recueilli est jusqu’`a dix ordres de grandeur sup´erieur en amplitude.
Fluorescence induite par LASER
Ce principe utilise un LASER accord´e sur une raie d’absorption du spectre de la mol´ecule introduite dans l’´ecoulement. Lorsque le niveau sup´erieur est suffisamment peupl´e, il apparaˆıt une ´emission stimul´ee.
Il existe donc deux ph´enom`enes : d’une part une excitation et d’autre part une d´es-excitation. L’´evolution temporelle de l’excitation d´epend de coefficients appel´es coefficients d’Einstein et du taux de d´esexcitation collisionnelle. Ce taux est tr`es difficile `a ´evaluer. Afin de contourner ce probl`eme, on utilise des LASER tr`es puissants. L’´equation d’´evolution se trouve d`es lors modifi´ee car le terme contenant le taux de d´esexcitation collisionnelle devient n´egligeable devant les autres processus. Ainsi lorsque la dur´ee d’exposition et la puissance sont suffisantes, un ´etat stationnaire est atteint et la mesure des populations du niveau excit´e est alors possible.
Il faut noter que cette technique n’est pas non-intrusive au sens strict du terme car une substance est introduite dans l’´ecoulement.
3.2.4 Mesures optiques bas´ees sur des propri´et´es macroscopiques
de l’´ecoulement
La m´ethode Schlieren repose sur la d´eviation d’un faisceau lumineux traversant l’´ecou-lement `a ´etudier (Fig. 3.4). La d´eviation obtenue `a la sortie du domaine peut ˆetre reli´ee `a l’indice de r´efraction local.
Cette m´ethode n’a ´et´e utilis´ee que dans l’esprit de calculer des masses volumiques ou des indices de r´efraction dans un ´ecoulement [14, 16, 17, 18].
N´eanmoins, il semble possible d’estimer la temp´erature via l’indice de r´efraction en utilisant la relation de Gladstone [25]. Nous reveindrons par la suite plus en d´etail sur cette m´ethode.