3.5.1
Accès à l’écoulement
Positionnement du problème : la PIV fonctionne très bien en champ libre et en
conduit de section carré. Dans un cylindre, plusieurs problèmes apparaissent :
– la nappe laser doit traverser le cylindre sans changement de direction. Ceci peut être corrigé en réglant la tête du laser,
– à cause des imperfections de la surface du cylindre, la nappe laser est diffusée dans toute les directions à l’intérieur du conduit. Les réflexions engendrées (par les parois et les pales) empêchent des prises d’images correctes. Il faut donc limiter au maximum les réflexions à l’intérieur du conduit,
– cette diffusion dans tout l’espace à l’intérieur du conduit diminue la puissance du laser dans le plan de mesure. Par conséquent, les particules sont moins illuminées et donc plus difficilement détectables sur les images,
– une fenêtre arrondie se comporte comme un dioptre optique et déforme l’image. Il est toujours possible de réaliser une correction mais cela devient difficile si la déformation est importante,
– la lumière diffusée par les particules doit traverser la fenêtre et de nouveau des pertes rendent les images plus sombres.
●O
P1
P2
Pi
Nappes laser dans différents plans Caméra PIV Fenêtre transparente ⃗v ⃗vθ ⃗vr
Figure 3.21 – Principe de fonctionnement de la PIV en conduit. La direction de l’écou- lement et les nappes laser sont perpendiculaires à la figure.
L’avantage qu’offre cette méthode, principalement le fait qu’elle soit non-intrusive, pose également des problèmes d’accès. C’est pourquoi utiliser ces techniques en conduit
nécessite d’acquérir une certaine connaissance et expérience pour pouvoir les effectuer dans de bonnes conditions.
Solution adoptée : les premières tentatives de mesure à travers les blocs transparents
(§3.2.2) ont été insatisfaisantes et ont donné des résultats médiocres. La raison principale est l’épaisseur importante (minimum 50 mm) des blocs, déformant fortement l’image et atténuant considérablement la nappe laser. Dans la littérature sur ces méthodes, on peut distinguer deux façons de réaliser les mesures PIV en conduit. La première consiste à réaliser ces mesures de l’intérieur du conduit. Pour cela, on utilise des systèmes optiques spéciaux comme des endoscopes récepteurs pour la caméra et des systèmes de jeu de
miroirs ou des endoscopes émetteurs pour réfléchir le laser dans le plan souhaité, [68,69].
Ces systèmes sont à monter sur le conduit à fleur de la paroi interne. Cependant, cette méthode est bien plus difficile à mettre en place et est très coûteuse. De plus, elle limite
les champs de mesure à seulement 1 ou 2 cm2. La seconde méthode consiste à réaliser
ces mesures en plaçant la caméra et le laser à l’extérieur du conduit, comme envisagé
initialement (figure 3.21). Dans cette configuration, le plan P1 de la figure permet de
mesurer la composante axiale (perpendiculaire au plan de la figure) et la composante ra- diale de l’écoulement alors que tous les autres plans permettent de mesurer la composante axiale et une composante représentant la somme vectorielle des composantes radiale et tangentielle. Pour parvenir à une image propre et de bonne qualité, il faudrait idéalement, d’une part réaliser une fenêtre transparente la plus fine possible pour limiter au maxi- mum les déformations et d’autre part, la faire fabriquer en verre pour éviter qu’elle se raye et pour garantir une bonne qualité optique. La partie transparente (en forme d’arc de cercle, trait rouge de la figure 3.21 ) doit être suffisamment grande pour permettre de
faire passer le laser et placer la caméra avec un angle de 90○ avec la nappe laser. Or, une
fine plaque en verre et curviligne serait très fragile et pourrait casser facilement. Il serait également possible de remplacer la pièce transparente par une autre opaque en matériaux plus rigide, avec deux ou trois emplacements pour mettre des fenêtres transparentes plus petites. Cela permettrait de réduire la taille des fenêtres en verre et donc le risque de casse. L’inconvénient de cette conception est qu’elle crée des discontinuité dans le champ de vision.
La solution intermédiaire, présentant le meilleur compris entre temps de réalisation et qualité optique, a été de réaliser un bloc opaque usiné spécialement pour accueillir une fenêtre transparente d’épaisseur 1.5 mm, en plexiglass. La figure 3.22 montre le bloc utilisé. Le plus difficile dans la réalisation de cette pièce était de fixer (par collage) la fenêtre en plexiglass souple au support non transparent. Cette technique a permis d’avoir des résultats optiques très satisfaisants et encourageant pour les futurs travaux. Néan- moins, cette première solution peut être grandement améliorée en remplaçant la fenêtre en plexiglass par une fenêtre en verre, quitte à la fabriquer plus épaisse pour gagner en tenue mécanique. Le point délicat reste la fixation de la partie transparente sur la partie opaque.
Enfin, l’intérieur du conduit est peint en noir mat afin d’éviter le maximum de ré- flexions, ce qui a réduit considérablement les réflexions mais ne les a pas supprimées totalement.
Figure 3.22 – Bloc de mesure par PIV. Une fenêtre en plexiglas suffisamment grande
permet de réaliser des mesures dans le plan méridien θ=0○ et dans le plan aube-à-aube
θ=90○.
3.5.2
Matériel PIV utilisé
C’est un système PIV du fabricant DANTEC. Le laser est un Litron Nano-L200-15 (2*200 mJ). La caméra est une DANTEC FlowSense 4M de résolution 2048x2048 px équipée d’un objectif ZEISS (Makro-plannar T* 2/100 mm ZF). Pour l’ensemencement, on a utilisé un générateur de micro gouttelettes, 10F03 DANTEC, permettant d’obtenir des gouttelettes d’huile d’olive de diamètre 2-5 µm.
3.5.3
Calibration
Dans ces mesures, la calibration est très importante et sans cette étape il est impossible de faire la mise au point de la caméra de manière convenable. Il s’agit ici de faire coïncider le plan focal de la caméra avec le plan de mesure désiré au moyen d’une cible placée exactement à l’endroit où on souhaite réaliser les mesures. En plus de la mise au point de la caméra, il est important de pouvoir également connaître la position exacte de la cible dans l’espace, et surtout par rapport au banc afin de pouvoir positionner correctement le plan de mesure. Cette cible graduée sert également d’échelle pour corriger la déformation imposée par la fenêtre.
3.5.4
Synchronisation
Les mesures sont synchronisées et les images sont prises toujours à la même position des pales. On peut ainsi déterminer le champ de vitesse pour une position donnée du
rotor et reconstituer le champ de vitesse dans différentes positions du passage de pales. Un capteur à fibre optique, de la marque KEYNECE FS-V21R(P), permet de synchroniser les mesures avec le passage des pales du rotor en déclenchant la mesure chaque fois que la pale est détectée dans une position prédéfinie préalablement. Pour reconstituer le champ de vitesses sur un passage de pale, un temps de retard de déclenchement des prises d’images est imposé pour chaque position souhaitée. Ce temps de retard τ est calculé à partir de la vitesse angulaire du rotor ω, du nombre de passage Z, et du nombre de division du passage de pale N par la relation suivante :
τ = 2 π
Z N ω (3.21)
Pour chaque position de pale, entre 500 et 1000 prises d’image sont réalisées.