Mesures PIV du sillage

3.2.5.1 Description

Les mesures de vitesse dans le sillage de l’hydrolienne sont réalisées par la méthode Particle Image Velocimetry (PIV). Une nappe laser horizontale est employée. Il s’agit d’un laser à double pulse Yag 200 mJ. Pour chaque mesure, deux pulses laser séparés d’un temps dt faible sont émis, afin de mesurer le déplacement des particules éclairées par le laser dans ce temps très court. Les nappes laser sont projetées à travers les hublots latéraux du tunnel. Une caméra située sur un rail au dessus du tunnel enregistre les doublets d’images éclairées par les pulses laser à travers des hublots sommitaux. Elle est synchronisée avec la nappe laser. Le schéma du

dispositif est présenté en Figure3.23. Une vue des hublots permettant la mesure est présentée

en Figure3.24. La longueur d’onde des pulses laser est de 532 nm, et la durée de chaque pulse

est de 6 ns. Cependant, c’est la caméra qui impose une durée minimale pour dt entre ces deux pulses. Il s’agit d’une caméra Imager pro X LaVision à double shutter. Elle permet de prendre deux images à 110 ns d’écart minimum. Sa résolution est de 1600 par 1200 pixels, et la focale employée est de 20 mm. La durée de rechargement des cavités laser permet de prendre des doublets d’image à une fréquence maximale de 15Hz, et la caméra peut être synchronisée avec cette fréquence.

3.2 Instrumentation de la turbine Darrieus et du système PIV 87

Figure 3.23 Vue schématique de la disposition des positions PIV mesurées. Pour les hauteurs autres que 0, certaines positions ne sont pas représentées mais les plans se poursuivent selon l’horizontale en B, C, ...

Figure 3.24 Vue CAO montrant les hublots latéraux au travers desquels est projetée la nappe laser, et les hublots sommitaux pour les images caméra

La nappe laser est projetée via un bras télescopique, qui autorise des mouvements selon la verticale et la direction x du tunnel. De même, un rail horizontal et une motorisation verticale pour la caméra lui permettent de suivre le déplacement de la nappe laser et de conserver la même mise au point. Du fait de la réfraction dans l’eau, comme pour la mesure LDV, un déplacement vertical de la caméra de 3 cm est nécessaire pour suivre le déplacement vertical

du laser de 4 cm entre deux positions de mesure (calcul déjà décrit sur la Figure3.9). Le

déplacement de la caméra selon x est assuré par un servomoteur et est très précis (±1 mm). Un offset de ±0,5 cm identique sur toutes les mesures est possible, du fait de l’incertitude sur la position 0 du rail de la caméra. Le déplacement horizontal du chariot laser est moins précis mais c’est la position de la caméra qui compte pour situer les mesures par rapport à la position de la turbine dans la direction x. Le déplacement vertical du chariot laser est assuré par un servomoteur et est très précis, et c’est la position verticale de la nappe laser qui détermine l’altitude des mesures (donc la position z). Cependant, la position de référence qui est choisie au milieu des bras de l’hydrolienne a été positionnée manuellement avec une incertitude de ±0, 5 cm.

La disposition des différentes positions de mesure est illustrée en Figure3.23. Pour une

même altitude z, les positions sont numérotées de A à F en s’éloignant de la turbine. Elles peuvent être assemblées pour former des plans horizontaux reconstruits. Ceux-ci sont espacés tous les 4 cm selon la verticale, allant de z=-19 cm à z=+21 cm par rapport au plan de référence numéro 0. Ce plan de référence a été placé volontairement 1 cm au dessus du milieu de la turbine afin de ne pas avoir de mesures totalement symétriques entre les plans d’altitude positive et ceux d’altitude négative. Le plan numéro 0 correspond à l’altitude z=1 cm, 1 correspond à z=5cm, 2 à z=9 cm, etc... De même, pour des altitudes négatives, les notations -1 en z=-3 cm, -2 en z=-7 cm, etc... sont utilisées.

Un dispositif d’injection de particules permet d’ensemencer le tunnel et d’avoir suffisam-ment de particules éclairées dans une position de la caméra pour mesurer les champs de vitesse. Le tube d’injection est situé environ 1,2 m à l’amont de la position des grilles de turbulence. Les particules sont injectées en un seul point d’altitude variable, mais grâce aux turbulences de l’écoulement ces particules se répartissent bien selon l’horizontale et la verticale. L’altitude du tube d’injection n’a dû être modifiée que pour les plans les plus bas, que les particules n’atteignaient pas sinon. Les particules utilisées sont des particules blanches de polyamide de 30 µm de diamètre mélangées à de l’eau. Une pompe entraîne ce mélange dans un circuit de brassage et permet de les maintenir mélangées puisqu’elles ont tendance à s’agglomérer au repos.

Enfin, certaines contraintes font que les images PIV n’ont pas pu être obtenues partout. Ces contraintes sont listées ci-dessous :

3.2 Instrumentation de la turbine Darrieus et du système PIV 89

• La zone de mesure démarre 28,8 cm après l’axe de la turbine du fait de l’absence de hublot plus en amont, et s’étend jusqu’à 221,7 cm. Cependant, l’articulation du bras laser empêche d’atteindre cette distance pour certaines altitudes de mesure. Toutes les positions ont pu être mesurées jusqu’à une distance de 209,7 cm (jusqu’à la position E), et seul le plan central (z=1 cm) a pu être prolongé jusqu’à x=221,7 cm (position F). • Les hublots latéraux ne sont pas continus et une bride d’environ 6,3 cm sépare les

positions B et C, tandis qu’une paroi sans hublot de 38,7 cm existe entre les positions D

et E (voir Figures3.23et3.24). Des recouvrements de 16 cm environ ont été faits dès

que possible entre les positions, cependant à la reconstruction nous pouvons voir que la zone près des bords des images n’était pas suffisamment éclairée et des valeurs sont erronées dans les zones de raccord.

• La largeur des images enregistrées par la caméra ne permet pas de mesurer toute la largeur du sillage. La caméra a donc été décalée de 6,2 cm à droite de l’axe de la turbine dans le sens de l’écoulement (y=-6,2 cm) afin de mesurer plutôt ce côté du sillage, sachant que le sillage a tendance à se décaler dans cette direction du fait du sens de rotation choisi pour la turbine.

3.2.5.2 Protocole de mesure

Les mesures PIV n’ont pas été réalisées en même temps que les autres mesures. Elles ont été réalisées sur plusieurs semaines. Il n’a pas été possible de maintenir le tunnel en fonctionnement entre toutes les mesures et une incertitude sur la vitesse de consigne du tunnel existe. Certaines images ont pu être réalisées à une vitesse de tunnel légèrement différente,

dans la limite des ±5 % d’incertitude discutés en Partie3.1.1.2pour la vitesse de 2,3 m/s.

Pour chaque mesure, deux images des particules éclairées sont enregistrées, afin d’en déduire le déplacement des particules. Le temps entre les deux images d’une paire a été fixé à dt=0,8 µs dans les zones proches de la turbine, et dt=0,6 µs dans le sillage lointain, où la vitesse de l’écoulement est plus grande. 1000 paires d’images sont enregistrées pour chaque position de mesure. Ces mesures sont synchronisées avec le passage d’une pale de la turbine. A chaque fois qu’une certaine pale (désignée comme la pale maîtresse) se retrouve dans la position la plus aval possible, un signal trigger est envoyé et une mesure PIV est réalisée. Dans les conditions étudiées (U_tunnel=2,3 m/s et λ compris entre 1 et 3), la fréquence d’acquisition est toujours inférieure à 15Hz, donc inférieure à la limite du laser. Avant de démarrer l’acquisition de chaque position de mesure, la puissance des deux faisceaux laser est réglée afin d’obtenir toujours un éclairage correct des particules (les images doivent être suffisamment éclairées sans être trop saturées). Pour les mesures PIV, les erreurs de mesure n’ont pas été caractérisées du

fait du manque d’information sur la qualité des images enregistrées. Il aurait fallu au préalable réaliser davantage de mesures pour cela alors que nous ne disposions que d’une durée d’essai limitée.