Moyens de mesures

Afin de constituer une base de données complète, comprenant des mesures du champ de vitesse ainsi que des mesures des champs de pression, divers moyens métrologiques ont été mis en œuvre dans le cadre des exprériences réalisées sur la configuration de jet supersonique.

6.1.3.a Sonde triple

Afin de permettre la qualification de l’écoulement ainsi que la validation des mesures ins-tationnaires LDV, le champ des vitesses longitudinales moyennes a été exploré (cf.§6.2.2.b). Une sonde triple, permettant la mesure simultanée des pressions totale et statique ainsi que de la température totale, a été employée. Cette sonde, représentée sur la photographie 6.5, et le traitement des mesures réalisées, sont décrits en annexeA.1.

FIG. 6.5 – Sonde triple : Pression statique, Pression d’arrêt, température

Le thermocouple employé pour les mesures de température totale est un modèle K (chromel-Alumel) relié à un module de compensation. Les sondes de pression (totale et absolue) sont reliées à des capteurs de pression absolue GE NovaSensor de 2 bars (NPH-8 200A). La pres-sion génératrice du jet étant supérieure à 3 bars, celle-ci se situe en dehors de la gamme de

fonctionnement des capteurs. Or, ceux-ci peuvent, selon les paramètres constructeurs, suppor-ter une pression 4 fois supérieure à leur pression nominale. De plus, leur étalonnage a montré une réponse parfaitement linéaire jusqu’à 4 bars.

La sonde se situe à l’extrémité d’une lame de sabre fixée à l’un des moteurs pas-à-pas transversaux du châssis JEAN. Ce bâti étant équipé de trois axes de déplacement, la sonde peut explorer l’intégralité du jet jusqu’à la section de position longitudinale x/D=10.

6.1.3.b Anémométrie Laser à effet Doppler

Un système d’Anémométrie Laser à effet Doppler (LDV) a été utilisé en configuration de diffusion avant pour la mesure des vitesses instationnaires du jet supersonique. Le principe de cette technique est décrit en annexeA.2.

Banc LDV Le banc LDV employé est de marque Aerometrics. Il permet la mesure de deux composantes de vitesse simultanément en un point (2C1D). La source lumineuse est un laser Argon de 10 Watts toutes raies visibles. Le faisceau émis est collecté par un séparateur décom-posant celui-ci en deux paires de faisceaux de longueurs d’ondes différentes, correspondant aux couleurs bleue (488nm) et verte (514,5nm). Ce séparateur comprend la cellule de Bragg 40 MHz permettant de décaler l’un des deux faisceaux de chaque paire. Ces faisceaux sont transmis à la tête d’émission au moyen de fibres optiques mono-bande haute pureté à conservation de po-larisation. La tête d’émission est constituée d’une lentille de 80 mm de diamètre et de focale 1000 mm. La séparation des faisceaux émis est de 30 mm, formant alors un demi-angle 0,86˚.

Le diamètre du volume sonde est de 0,44 mm dans le plan (x,y) de mesure, pour une lon-gueur de 15 mm dans la direction z. L’inter-frange i est de 16,3 µm pour la composante bleue et de 17,2 µm pour la composante verte. Le volume de mesure comprend alors 27 franges pour chaque composante. La puissance lumineuse au point de mesure est de l’ordre de 140 mW pour une puissance 1,2 W de la source laser. La puissance par composante en sortie du séparateur est de l’ordre de 80 mW pour les verts (2x40 mW) et de l’ordre de 60 mW pour les bleus (2x60 mW).

La tête de réception est constituée d’une lentille de 106 mm de diamètre pour une focale 500 mm. La lumière collectée est conduite au module de réception par une fibre optique multi-modes. Le module de réception est composé d’une séparation des longueurs d’ondes, de trois photo-multiplicateurs (PM) et de pré-amplificateurs faibles bruits et large bande.

Conditionnement des signaux Les signaux analogiques issus des PM sont traités avec un système d’acquisition de type DSA (Doppler Signal Analyser) Aerometrics. Cet analyseur est doté d’un processeur qui utilise l’analyse de Fourier câblée pour la détection des bursts et l’extraction de la fréquence Doppler. La bouffée Doppler est d’abord détectée par son ampli-tude puis mélangée à une fréquence fixée par l’utilisateur pour réduire sa fréquence (mixage). La bouffée est ensuite numérisée avec une fréquence d’échantillonnage et un nombre d’échan-tillons choisis.

La validation des bouffées a lieu par comparaison de l’amplitude du pic de la FFT avec l’amplitude des pics secondaires et, par la suite, comparée à un seuil fixé par l’utilisateur. Le résultat est stocké en mémoire (type FIFO). Le dialogue s’établit alors entre le DSA et un micro-ordinateur de type PC. Enfin, par le biais du logiciel spécifique d’exploitation (Digital Signal Processor), une Transformée de Fourier Discrète est appliquée à ce signal afin de déterminer sa fréquence. Les informations de fréquence et de phase sont données sous forme d’histogrammes de vitesse dont l’interprétation peut servir à valider les résultats acquis.

Reception La quantité de lumière diffusée par une particule étant plus grande dans la di-rection des faisceaux incidents (théorie de Mie), le mode de diffusion avant est adopté pour cette configuration expérimentale. Celui-ci permet d’assurer un meilleur rapport signal sur bruit ainsi qu’un taux d’échantillonnage (Data Rate) plus élevé qu’en mode de diffusion arrière, ou rétro-diffusion (récolte de la lumière dans la direction inverse des faisceaux laser incidents). Les composantes de vitesses sont mesurées dans un repère incliné de 45˚ par rapport au repère principal de l’écoulement de manière à limiter le biais angulaire (voir§A.2).

Les têtes d’émission et de réception sont placées de part et d’autre du jet. La tête de réception forme un angle α de l’ordre de 20˚ avec l’axe optique de la tête d’émission (fig. A.2). Leur déplacement est assuré par le bâti JEAN (§6.1.1) sur lequel celles-ci sont installées. Seuls deux des trois axes de déplacement de ce bâti sont utilisés pour réaliser des mesures de vitesses sur des profils radiaux du jet en différentes positions longitudinales. La commande de puissance des moteurs pas-à-pas des axes de déplacement du bâti est pilotée par le logiciel d’acquisition des données du système LDV.

Ensemencement Le choix des particules utilisées pour ensemencer l’écoulement est un choix délicat. La nature des traceurs, ainsi que la manière de les injecter dans l’écoulement, in-fluencent directement les résultats de mesures et peuvent introduire un biais important (an-nexeA.2). Des particules de SiO₂(dioxyde de silicium) ont été employées pour cette configura-tion . Ce choix découle de l’étude paramétrique menée par Lammari [107] ainsi que des résultats des travaux de Bellaud [17] et Kerhervé [67] portant sur une configuration de jet supersonique froid (température génératrice T₀=263K) de nombre de Mach M_j=1,3. Ces particules ont un diamètre garanti de 0,04 µm. Lammari [107] a montré une certaine propension à la formation d’agglomérat en mesurant un diamètre moyen de l’ordre de 0,3 µm. Cependant, ce même auteur montre que ces particules suivent bien l’écoulement et que les effets d’entraînement peuvent être négligés.

La technique d’ensemencement employée est mixte. Les particules sont injectées à la fois à l’intérieur et à l’extérieur du jet afin d’obtenir une répartition la plus homogène possible. Ainsi, deux pots d’ensemencement sont utilisés. Leur alimentation en air comprimé est délivrée par une réserve extérieure à la ligne du circuit d’alimentation du jet. Un premier pot est utilisé pour est utilisé pour ensemencer l’écoulement principal en injectant les particules directement dans le “bidon” JEAN (après la chambre de combustion). Ce pot est muni d’un cyclone moyenne pression afin de réduire le risque de colmatage des particules à l’intérieur du pot sous l’effet de l’humidité ambiante et de la pression (fixée à 10 bars). Un second pot est utilisé pour ense-mencer la partie extérieure du jet grâce à une couronne placée autour de la tuyère. Celui-ci est pressurisé à 2 bars. L’ensemencement est piloté à distance grâce à deux électro-vannes contro-lant l’alimentation en air comprimé de ces pots.

Taux d’échantillonnage L’utilisation d’un double ensemencement a permis d’obtenir un taux d’échantillonnage de l’ordre de 10 kilo-échantillons par seconde dans le jet. Toutefois, ce taux d’échantillonnage tombe a des valeurs très faibles en frontière d’écoulement pour les positions longitudinales supérieures à 5D (ensemencement extérieur trop faible à ces distances).

Dans le cadre des mesures LDV, ce taux d’échantillonnage est important. En effet, celui-ci conditionne la résolution temporelle des mesures. Un phénomène physique rapide nécessitera donc des taux d’échantillonnage élevés. Considérant un nombre de Strouhal caractéristique de StD=0,3 pour un jet, correspondant à une fréquence de l’ordre de 3 kHz pour notre configura-tion, notre taux d’échantillonnage est suffisant à la description temporelle de l’écoulement.

Un autre facteur, également influencé par le taux d’échantillonnage, est à considérer. Il s’agit de la convergence statistique des données. En effet, un nombre d’échantillons suffisamment

im-portant est requis pour cette convergence. Il doit être d’autant plus grand que l’ordre du moment statistique considéré est élevé. Or, celui-ci est conditionné par le taux d’échantillonnage et par la durée d’acquisition qui, dans le cadre de cette étude, est limitée. En effet, les mesures instan-tanées de vitesse sont utilisées, entre autres, pour déterminer le niveau de corrélation entre le champ de vitesse et le champ de pression proche. Le calcul de ces corrélations nécessite alors des acquisitions synchrones de ces deux grandeurs (voir§3.3). Celles-ci étant réalisées par deux systèmes d’acquisitions indépendants, l’information temporelle relative aux mesures doit donc être connue avec précision. Les données LDV sont stockées sous forme de fichiers au format ASCII. L’instant de chaque mesure est enregistré sous forme exponentielle utilisant un nombre fixe de 6 nombres après la virgule. La précision temporelle est alors fonction de la durée de l’ac-quisition. Elle est d’autant plus faible que le temps d’acquisition est long. Afin que celle-ci reste inférieure à l’intervalle de temps d’échantillonnage des mesures de pression (fixé à 100 kHz, voir§6.1.3.c), le temps de mesures est limité à 10 secondes. Dans la zone interne de l’écoule-ment, présentant un ensemencement important et un taux d’échantillonnage élevé, ce temps est suffisant à l’obtention d’un nombre d’échantillons permettant la convergence des statistiques. En revanche, cette convergence est compromise pour les points de mesure de la couche de mé-lange en position aval, éloignées de la section d’éjection, où le taux d’échantillonnage est faible (voir§6.2).

6.1.3.c Chaîne de mesures acoustiques

Les mesures de pression acoustique ont été réalisées grâce à des microphones regroupés sur des antennes. Des configurations importantes, comptant jusqu’à 56 microphones simultané-ment, ont été mises en œuvre. Les caractéristiques de l’ensemble des éléments de cette chaîne de mesures sont détaillées ici.

Microphones et conditionnement Les mesures de pression acoustique ont été réalisées au moyen de microphones pression 1/4" de marque GRAS. Les cellules microphoniques sont de type 40PB. Elles sont couplées à des pré-amplificateurs de type 26AC-T. La bande passante des cellules va de 4 Hz à 70 kHz avec une réponse constante en fréquence et en phase. Le niveau sonore maximal que peuvent supporter ces microphones est de 170 dB.

Les microphones sont alimentés par trois alimentations de 16 voies conçues au laboratoire (voir-Ricaud [171]). Elles délivrent une tension continue de 15 V aux pré-amplificateurs ainsi qu’une tension de polarisation des cellules microphoniques qui peut être de 200 V (polarisation stan-dard) ou de 24 V. La sensibilité des microphones est de 1,6 mV/Pa avec une tension de po-larisation standard. Pour les mesures de pression en champ proche, les niveaux acoustiques étant élevés, la polarisation de 24 V a été utilisée. La sensibilité des microphones est alors de 0,2 mV/Pa, permettant d’obtenir des tensions de sortie adaptées à la chaîne d’acquisition.

Acquisition Deux chaînes d’acquisition ETEP possédant 40 voies chacune (5 cartes de 8 voies) ont été utilisées pour numériser les tensions délivrées par les microphones. Ces chaînes possèdent chacune les caractéristiques suivantes :

– 40 voies synchrones d’une résolution de 16 bits ;

– Filtre passe-haut commutable à 3 Hz de 6 dB/octave ;

– Dynamique des signaux d’entrée ±5 Volts ;

– Les voies sont paramétrables indépendamment en gain : 1, 10, 20, 50, 100, 128 ;

– Conversion analogique-numérique (CAN) de type Σ∆ avec filtrage anti-repliement ;

– Rapport signal sur bruit et distorsion harmonique : 78 dB ;

– La fréquence d’échantillonnage est ajustable indépendamment pour chaque carte de 400 kHz à 3,125 kHz ;

– L’échantillonnage des voies est indépendant et synchrone ;

– L’échantillonnage est synchrone sur l’ensemble des cartes ;

– Possibilité de “chaîner” plusieurs chaînes d’acquisition (permettant d’obtenir jusqu’à 80 voies synchrones avec 2 chaînes d’acquisition dans notre cas) ;

– Pilotage distant par réseau éthernet ;

– Des durées d’acquisition très longues peuvent être obtenues par un stockage en temps réel (DMA) sur un disque dur .

Ces chaînes d’acquisition, en mode synchrone, ont été placées à l’extérieur du hall d’essai MARTEL afin de limiter la pollution par les particules d’ensemencement. Des câbles BNC de 10 m ont été employés pour connecter les sorties des boîtiers d’alimentation/conditionnement des microphones. Durant les essais, les acquisitions étaient pilotées à distance depuis le local de contrôle MARTEL. La fréquence d’échantillonnage de données est de 100 kHz sur toutes les voies.

Étalonnage Avant les campagnes d’essais, les chaînes d’acquisitions sont étalonnées. Pour se faire, une tension continue est délivrée par une alimentation étalonnée sur l’ensemble des voies. Pour chaque gain, l’acquisition de dix tensions balayant la plage de mesure est réalisée. Ainsi, un gain et un décalage sont déterminés pour chaque voie.

Les sensibilités de chaque microphone sont également déterminées en fonction de leur po-larisation (200 V et 24 V). La réponse des microphones étant constante en fréquence, seul un étalonnage en niveau est réalisé. Pour cela, un pistonphone B&K est employé (124 dB à 250 Hz). La variance du signal obtenu est calculée sur 3 secondes d’acquisition à 50 kHz permettant de définir la sensibilité du microphone, connaissant le niveau de la source.

Antennes de microphones Trois types d’antennes sont utilisés dans le cadre de ces expé-riences :

Grande antenne Les mesures de pression en champ semi-lointain sont réalisées grâce à une grande antenne linéique. D’une longueur totale de L=2 m, elle supporte 51 microphones espacés de ∆=50 mm (1D). Les fréquences de coupure haute et basse de cette antenne sont respectivement fh=c/2∆=3,4 kHz et fb=c/L=170 Hz.

Antenne courte Les mesures de pression champ proche sont réalisées grâce à deux antennes. La première est une antenne linéique courte. D’une longueur totale de L=0,38 m, elle supporte 39 microphones espacés de ∆=0,01 m (D/5). Ses fréquences de coupure sont fh=c/2∆=17 kHz et fb=c/L=900 Hz.

Antenne circulaire Cette antenne linéique est couplée à une antenne circulaire d’un diamètre intérieur de φ=0,25 m (5D). Celle-ci peut supporter 17 microphones espacés de 20˚ et est ouverte de manière à placer un 18e microphone appartenant à l’antenne linéique ((fig6.9(a)). La position radiale des microphones peut être ajustée de 0,5D à 2D.

La grande antenne est placée verticalement dans le hall d’essai MARTEL, fixée à l’un de quatre pylônes mobiles (photo6.6(a)). Les antennes courte et circulaire sont utilisées en champ proche du jet, fixées au bâti JEAN (voir§6.1.1).