alimenté par un écoulement cisaillant
1.4 Mesures de vitesse
Le dispositif expérimental permet également la réalisation de mesure par Vélocimétrie par Image de Particule (PIV) standard en remplaçant la paroi d’impact chauffante par une plaque transparente en plexiglas. Nous allons rappeler ici sommairement le principe global de la PIV. C’est une technique de mesure non intrusive et indirecte (à partir de particule d’ensemencement). C’est une technique appelée haute densité car il faut un ensemence-ment important pour obtenir de bons résultats. Dans cette technique de vélocimétrie, il faut éclairer une section d’écoulement (cf figure II.16), préalablement ensemencée, pen-dant de brefs instants successifs (brefs relativement à l’échelle de temps de l’évolution de l’écoulement). Les éclairages sont séparés d’un intervalle de temps ∆t, pour obtenir ainsi deux images décalées de ∆t. Il convient de régler ∆t en fonction de l’écoulement étudié. Chaque image est divisée en fenêtre d’interrogation, et le contenu d’une même fenêtre est comparé par corrélation aux instants t et t + ∆t. La vitesse moyenne orientée du groupe de particules de la fenêtre d’interrogation est donc donnée par la formule suivante :
~
V = ∆~d
∆t (II.25)
où ~d est le vecteur représentant le déplacement spatial.
Imaging optics Image plane t ∆t Flow direction Laser Mirror Light sheet x y First light pulse at t
second light pulse at t + ∆t
Flow with tracer particles
Illuminated particles
Figure II.16 –Exemple d’arrangement expérimental dans une soufflerie
L’obtention de ces images successives se fait par caméra CCD et suivant la rapidité de lecture de l’image, il est possible de réaliser plusieurs expositions sur une image ou une exposition par image. La figure II.17 montre la schématisation de la synchronisation de la cadence de la caméra avec le pulse laser dans le cas d’une exposition par image. tp
représente le temps entre deux couples de pulses lasers souvent limité par la cadence de la caméra tc. Le matériel que nous avons utilisé pour ce type de mesure est une caméra HiSense 8 bits de type asynchrone et double frame (donc deux expositions par image) pouvant fonctionner à une fréquence maximale de fc= 4,5 Hz. Les capteurs CCD de la matrice ont pour dimension 6,7x6,7 µm2 avec un pitch de 6,7 µm. Cette caméra est associée à un laser New wave Solo 1 de longueur d’onde 532 nm émettant des pulses à 120 mJ pendant 10 ns. L’écoulement est ensemencé avec de l’huile de paraffine dont le diamètre des particules est de l’ordre de 10 µm.
tc
tp
∆t Cadence caméra
Pulse laser
Chapitre II. Dispositifs d’essais et méthodes expérimentales
Les données récoltées sont traitées à l’aide du logiciel FlowManager. À partir des données brutes obtenues, une validation des résultats et un traitement statistique ont été effectués de façon à obtenir le champ moyen (U, V , W ) ainsi que des moments d’ordre 2 (√u2,√
v2,√
w2,√
uv,√
uw,√
vw) en fonction des plans étudiés (la PIV standard ne permet d’accéder qu’aux composantes de vitesse dans le plan et non à la composante normale). Ces grandeurs moyennes et fluctuantes sont calculées à partir de 3 salves de 100 acquisitions (300 couples d’images au total) afin de conserver un ensemencement constant lors des mesures. On estime l’erreur de mesure à 10% de la vitesse maximale constatée soit 4 m/s. Lorsqu’un champ de vitesse est acquis, il contient toujours un certain nombre de vecteurs aberrants dus aux reflets sur les parois ou d’autres artefacts, qui peuvent altérer les résultats de manière importante. Ces vecteurs ne doivent pas être pris en compte pour le traitement final, il faut donc les éliminer ou les remplacer à l’aide de traitements spécifiques.
Dans notre étude, une image moyenne est avant tout calculée puis soustraite aux images à traiter. Ainsi, nous obtenons un meilleur contraste et la détermination des po-sitions des particules en est facilitée. Nous utilisons ensuite une cross-corrélation dans une fenêtre de corrélation de 32x32 pixels2. Ce traitement conduit à un pic de corrélation correspondant au déplacement des particules entre la première et la deuxième exposition. Les autres pics étant associés au bruit de mesure, on utilise alors un critère de Rapport Signal sur Bruit (RSB) afin d’éliminer les pics de corrélation du même ordre de grandeur que le bruit de mesure. On élimine ainsi les vecteurs vitesse erronés en utilisant classique-ment une validation des pics de corrélation avec un RSB de 1,2. Le taux d’erreurs sur les vecteurs vitesse est globalement de 7%. Les vecteurs erronés sont ensuite remplacés en se basant sur les vecteurs voisins corrects.
Le montage expérimental va nous permettre d’accéder à la mesure des champs de vitesse pour cinq familles de plans (cf figure II.18) :
– chemiseXY : plans xy parallèles à la plaque d’injection.
– chemiseYZ : plans yz verticaux, la verticale étant définie par l’écoulement dans la chemise allant du haut vers le bas.
– entreferXY : plans xy parallèles à la plaque d’injection.
– entreferYZ : plans yz verticaux. Nous avons sondé 5 plans équidistants de bord à bord du trou d’injection (en x=-0,5D, -0,25D, 0, 0,25D et 0,5D).
– entreferXZ : plans xz horizontaux, l’horizontale étant définie par l’axe de l’écoule-ment dans l’entrefer. Nous avons sondé 3 plans équidistants de bord à bord du trou d’injection (en y=-0,5D, 0 et 0,5D).
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Figure II.18 –Familles de plans PIV
Nous obtenons ainsi plusieurs cartographies des champs des vitesses et des grandeurs turbulentes dans les plans décrits ci-dessus. Ceci nous permettra une analyse de la topolo-gie de l’écoulement dans le jet et en amont de l’injection. Cependant, nous verrons par la suite que l’écoulement possède un fort caractère tridimensionnel. La technique de mesure par PIV standard ne capturant les vitesses que dans le plan de mesure, il convient alors d’être prudent quant à l’interprétation des données obtenues sur les champs de vitesse. Le recoupement des informations présentes à l’intersection de plans de familles différentes nous permet néammoins de vérifier la répétabilité des expériences ainsi que la précision des résultats (cf figure II.19).
-50 5 10 15 20 25 30 35 40 0 1 2 3 4 5 6 W (m/ s) z/D plan XZ plan YZ
Figure II.19 - Exemple de comparaison de la composante W de la vitesse pour des plans de type XZ et YZ passant par le centre de l’injecteur
Chapitre II. Dispositifs d’essais et méthodes expérimentales