Sondes réalisées au LIEX

Description

Le corps de sonde est constitué d'un cylindre de céramique de diamètre compris entre 2 et 4 mm, dans lequel sont implantées des aiguilles en acier inoxydable de diamètre 0.4 mm. Leur longueur émergente est approximativement de l'ordre de 15 mm, et la distance qui les sépare est au minimum de 6 mm. An de réduire les risques de rupture du l lors des manipulations, le corps de sonde est gainé d'un tube en élastomère.

Actuellement, pour des sondes simples, le laboratoire a acquis un savoir faire qui permet la réalisation de sondes équipées d'un l dont le diamètre peut indif- féremment valoir 0.635µm, 0.5µm ou 0.350µm. Il est également possible d'associer chaque type de l à un écartement entre les broches variant de 6 à 10 mm. Cette recherche de résolution spatiale ne se résume pas à l'acquisition d'un savoir-faire technologique, mais il est motivé par le souci d'obtenir les mesures les plus précises possibles dans des conditions sévères, telles que l'accès à des uctuations couplées de vitesse et de température dans des situations instationnaires et anisothermes en proche paroi.

La gure 3.9 donne un aperçu visuel du prototype de sonde à deux ls que nous avons développée. Celle-ci présente les mêmes caractéristiques que les sondes simples en termes de l et de dimensions, à ceci près que deux ls sont montés sur la même sonde, an d'accéder à la température et à la vitesse simultanément ; notre savoir-faire de fabrication nous permet de rapprocher les ls jusqu'à 5 dixièmes de millimètre, an de respecter au mieux l'hypothèse selon laquelle les deux ls voient la même structure uide au même instant.

En termes de tenue mécanique, les sondes ont été testées avec succès dans des écoulements de couche limite jusqu'à des vitesses d'écoulement légèrement supé- rieures à 12 m.s−1_{. En revanche, dans des situations de fort cisaillement, en frontière} de jet par exemple, un bon comportement n'est obtenu que lorsque l'écartement

3.3 Sondes réalisées au LIEX 67

6 à 10 mm

0,5 mm

Fig. 3.9 - Prototype de sonde à deux ls parallèles développée au Liex. Haut : Vue d'en- semble et zoom sur les parties actives (partiellement décapées), Bas : Vue au microscope du l de platine rhodium mis à nu (partie active, grossissement 400)

68 Les sondes Sonde Matériau Diamètre_{du l d}

w Longueur active lw Rapport lw/dw Ecartement entre broches Sonde Dantec (température) Argent 1µm 0.5 mm 500 0.5 mm Sonde Dantec (vitesse) Tungstène avec rechar- gement cuivre 2.5µm 1.25 mm 500 3 mm Sonde de Ligrani [56] (vitesse) Pt-10%Rh (Wollaston) 0.625µm 0.22 mm0.16 à 300 1.1 à 1.3 mm Sonde de Malécot [64] (vitesse et température) Platine (Wollaston) 3.5µm3 à 0.3 à 0.5mm 100 à150 3 mm Sonde d'Antonia et al. [6] (vitesse) Pt (Wollaston) 1.3µm 0.17 mm 130 - Sonde LIEX (vitesse et température) Pt-10%Rh (Wollaston) 0.635µm0.35 à 0.4 à 0.5mm 600 à1500 6 à 10 mm

Tab. 3.2 - Récapitulatif des caractéristiques principales des sondes employées par les utilisateurs d'anémométrie à l chaud (en rouge : facteur pénalisant, en vert : facteur favorable)

entre les broches n'excède pas 6 mm. Au delà de 6 mm, en raison d'une raideur in- susante de la gaine d'argent du l, le cisaillement induit des oscillations de grande amplitude à l'échelle du l, oscillations qui conduisent souvent à la rupture de ce dernier. Les ls présentent un galbe plus ou moins important après décapage de la gaine d'argent qui entoure le l de platine rhodié. Nous avons vérié que ce galbe avait peu d'inuence sur la détection de la vitesse normale au l (voir le paragraphe suivant).

Caractéristiques principales des ls

Le tableau 3.2 rappelle les caractéristiques des sondes à l chaud que nous savons fabriquer, en regard de sondes commerciales (Dantec) et de sondes utilisées par quelques équipes expérimentales connues de la communauté de la turbulence.

Dans la majorité des études publiées, les sondes utilisées pour les mesures de vi- tesse sont fabriquées avec des ls de tungstène de 2.5 microns de diamètre alors que celles de température sont réalisées avec du l de 0.635 microns au minimum

3.3 Sondes réalisées au LIEX 69 (Khalkhal [49] est parvenu à fabriquer une sonde à l froid avec du l de diamètre d_w = 0.5µm mais ne l'a presque pas utilisée). Avec les sondes LIEX, on obtient une bonne résolution spatiale de mesures (lw=0.5 mm) et l'utilisation de ls de Wol- laston de très petits diamètres (dw=350 ou 500 nanomètres), conduit à un rapport d'allongement élevé (allongement lw

dw > 1000), lequel est susant pour mesurer les

uctuations de température et a fortiori, celles de la vitesse (Parathoen et al. 1982 [54]).

Il est important de préciser car, à notre connaissance, c'est un cas unique, que nos sondes sont utilisables indiéremment en l chaud comme en l froid. De plus un tel rapport d'allongement améliore signicativement la répartition de la température le long de la partie sensible du l.

−2500 −200 −150 −100 −50 0 50 100 150 200 250 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 lw (µm) T∗ 0,35µm 0,5µm 0,635µm 1µm 2µm 2,5µm

Fig. 3.10 - Prols de température pour une vitesse de 10m.s−1 _{(Fil de Wollaston)}

A titre d'exemple, la gure 3.10 présente les prols de température adimensionnés pour diérents diamètres de l de Wollaston et pour une vitesse de 10 m.s−1_{. La} comparaison avec les ls chauds du commerce montre qu'en diminuant le diamètre d'un facteur 8, le prol passe d'une forme parabolique à une forme de type carrée. Pour le l en platine rhodié avec un diamètre de 350 nanomètres, la température est constante et maximale sur environ 75% de la longueur du l et 90% de la longueur du l est à plus de 95% de la température maximale. Sur les bords, les gradients du prol sont très raides, ce qui permet de raisonnablement considérer le prol de température sur le l comme une fonction carrée (ou porte).

70 Les sondes −25 −20 −15 −10 −5 0 5 10 15 20 25 0.88 0.9 0.92 0.94 0.96 0.98 1 φ (o₎ U Umax Fil droit, U ∞=3,5m/s Fil galbé, U ∞=3,5m/s Loi cosinus Fil droit, U ∞=0,45m/s

Fig. 3.11 - Comparaison de la loi "cosinus" avec la loi expérimentale

Au vu de ces prols de température, nous avons testé la réponse angulaire du l. Nous avons fait varier l'angle φ entre la direction de l'écoulement et le l de -25° à 25° par pas de 1°. La vitesse en fonction de l'angle est indiquée sur la gure 3.11 pour deux ls de 350 nanomètres de diamètres (l'un quasiment droit, l'autre relativement galbé) en comparaison avec la loi cosinus. On constate que même dans le cas du l galbé, la réponse est peu diérente de celle de la loi idéale puisque l'erreur maximale sur la vitesse est de 0.5% pour une plage d'angle de -10°à 10°autour de la position normale à l'écoulement, et atteint 2.5% pour des angles de - 25° et 25°. Pour le l très peu galbé l'erreur maximale sur la vitesse n'est plus que d'environ 1% à ces mêmes valeurs extrêmes. Une erreur aussi faible autorise à s'aranchir de l'ajout d'un terme supplémentaire de la forme k · sin(φ), (k dépendant du rapport lw/dw, Collis et Williams [18]) et de considérer que la loi cosinus est directement applicable. Grâce au prol de température en porte, la réponse du l n'est sensible qu'à la composante de la vitesse qui lui est perpendiculaire.

La grande valeur de résistance imposée par la résistivité du platine rhodium et la très faible section A des ls (Rw = ρP t−Rh_A lw) est dans les deux usages (l chaud et l froid) un atout pour la sensibilité, dans la mesure où ce sont les variations de résistance du capteur qui sont exploitées.

Compte tenu des spécicités des ls équipant les sondes fabriquées au LIEX (notamment cette grande valeur de résistance comparée à celle des sondes à ls standards), nous avons dû réaliser des thermo-anémomètre compatibles avec leur emploi. En eet, les valeurs typiques de résistance de nos sondes sont d'environ 700 Ωet 1100 Ω pour des diamètres de l dw de 0.5µm et 0.35µm respectivement. Dans

71 ce qui suit, nous décrivons leur développement, qui a été mené en parallèle de celui des capteurs. Le but a été d'obtenir la plus haute résolution possible, an de pouvoir acquérir et exploiter d'excellents signaux, notamment en termes de rapport signal à bruit. Cette exigence associée au besoin de limiter les dérives des mesures absolues (notamment celles de température) nous ont conduit à isoler électriquement tous les appareils de mesures et à les alimenter avec des batteries. Dans un environnement tel que celui du CEA, où les masses des bâtiments sont reliées pour des raisons de sécurité, la mise en marche ou l'arrêt d'installations voisines peut se faire sentir sur l'ensemble du réseau électrique, même de manière minime. Le fait de découpler la chaîne de mesure de ce réseau s'est donc révélé nécessaire pour l'obtention de résul- tats reproductibles et sans dérive.