Vélocimétrie par image de particules fluorescentes

2.2.1.1. Principe et description du dispositif existant

La vélocimétrie par images de particules (PIV) est une technique optique utilisée pour déterminer le champ de vitesse d'un fluide en mouvement (Adrian 2005). Le principe de la méthode est d'illuminer une fine couche de fluide par le rayonnement laser. Lorsque des particules traversent la zone d'illumination, elles émettent des signaux enregistrés par des capteurs. Avec une caméra CCD, les positions des particules éclairées aux deux instants t et t+dt sont enregistrées sous forme de deux images acquises successivement. Le traitement des données consiste à calculer le déplacement moyen le plus probable des particules dans la même zone des deux images, dp. L'analyse de toutes les régions de l'image permet le calcul de la vitesse instantanée à différents points de l'image (V= dp / dt *grandissement). Pour des valeurs du nombre de stokes faibles, les particules sont des traceurs de l'écoulement et on mesure, ainsi, le champ de vitesse instantané du gaz.

La méthode de vélocimétrie par image de particules fluorescentes (FPIV) repose sur la combinaison de la technique PIV et de la Fluorescence Induite par Laser (LIF). Cette méthode est particulièrement adaptée à l'analyse des écoulements diphasiques denses et permet la mesure des vitesses de l'air tout autour du spray mais également très proche de la frontière du spray (~1 mm). L'application à l'injection haute pression de la technique de mesure FPIV a été mise en place lors des travaux de Delay (Delay 2005; Prospéri 2007). La technique FPIV présente l'avantage d'éviter la détérioration de la caméra en permettant de ne pas saturer les capteurs photosensibles (CCD) par un signal lumineux, diffusé par les gouttelettes (diffusion de Mie), trop intense. La fluorescence est utilisée comme moyen pour décaler la longueur d'onde du signal émis par les traceurs par rapport à celle du laser.

Un laser double pulse PIV Nd: Yag (Spectra physics PIV 400, laser = 532 nm) est utilisé

pour exciter les particules fluorescentes à la longueur d'onde du laser. Pour assurer leur fonction de traceurs, les particules doivent être suffisamment petites et présentes en nombre suffisant dans l'écoulement. La conception d'un système d'ensemencement à partir d'un nébuliseur médical permet de remplir ces deux conditions. La mesure de la taille des particules générées indique une distribution étroite centrée autour d'un diamètre moyen de 0.8 µm (Bury 2000). Le liquide utilisé est une solution de propylène carbonate (PC) saturée en Dichlorométhane (DCM). Le DCM est un produit aux propriétés intéressantes puisque, excité à la longueur d'onde du laser, il fluoresce dans les longueurs d'onde entre 615 et 666 nm avec un pic d'efficacité à 639 nm (Rottenkolber 2001; Rottenkolber 2002). La concentration des traceurs dans l'enceinte est effectuée par le contrôle du temps d'ouverture du système d'ensemencement. La durée d'ensemencement dépend de la différence de pression aux bornes du système d'ensemencement et a été fixée à 50 s pour un différentiel de 100 mbar environ.

L'injection est réalisée dans une enceinte équipée d'accès optiques d'un diamètre de 110 mm. Ces accès permettent le passage d'une nappe laser perpendiculairement à l'axe optique d'une caméra et l'obtention des champs de vitesse FPIV dans le plan laser (Figure 18).

Les faisceaux laser passent à travers des composants optiques pour former une nappe focalisée sur la zone d'intérêt et passant par l'axe de symétrie du spray. L'épaisseur de la nappe laser est environ de 300 µm. Une caméra numérique (Sensicam QE 12 bits, 1280x1024 pixels²) est équipée d'un objectif Nikon (f # 2.8) pour obtenir des champs d'une taille comprise entre 2 x 1.5 mm² et 8 x 6 mm². L'application d'un filtre optique (OG 590 nm) sur l'objectif permet de détecter les traceurs fluorescents de l'écoulement de gaz autour du spray. La faible énergie du signal de fluorescence impose le regroupement de pixels 2 par 2 (binning 2*2), réduisant la résolution de la caméra mais augmentant sa sensibilité. Dans cette configuration, les niveaux de gris des traceurs restent assez faibles, entre 50 et 300.

2.2.1.2. Amélioration de la technique FPIV

Les améliorations apportées sur le dispositif FPIV ont été proposées pour gagner en précision des mesures et en ergonomie d'utilisation.

Le système d'ensemencement

Le contrôle de la densité de traceurs et la pressurisation de l'enceinte sont nécessaires à l'application de la technique PIV et à l'étude des effets de densité du milieu d'injection, respectivement. Le système d'ensemencement a donc été amélioré pour intégrer ces 2 conditions et également pour faciliter les manipulations.

La dissociation entre les circuits de pressurisation (circuit primaire) et d'ensemencement (circuit secondaire) améliore la qualité des mesures. D'un point de vue pratique, la pressurisation et l'ensemencement sont effectués en deux étapes. La première consiste à remplir l'enceinte avec des traceurs fluorescents. Une pression fixée en amont du système d'ensemencement permet de maîtriser le flux de gaz et une durée appropriée permet de contrôler la densité de traceurs dans la chambre. La deuxième étape consiste à pressuriser l'enceinte jusqu'à atteindre la densité du gaz souhaitée. Un manomètre est préalablement réglé à la valeur de consigne, et la pressurisation est effectuée de manière progressive à l'aide d'une vanne (Figure 19).

Figure 19: Système de pressurisation et d'ensemencement.

La synchronisation

Le pilotage du dispositif expérimental s'effectue à partir de cartes d'acquisition et de contrôle permettant le contrôle du laser, de la caméra et de l'injection. Un programme de pilotage a été réalisé suivant les besoins des différentes campagnes de mesures. Le chronogramme de synchronisation est présenté en annexe 7.2.

La focalisation de la nappe laser

L'application de la technique PIV nécessite la modulation des faisceaux en sortie du laser par des composants optiques alignés sur un rail. L'orientation du chemin optique en direction de l'enceinte est assurée par un miroir. Une première lentille (convergente) permet de focaliser sur la zone d'intérêt tandis que la seconde lentille (divergente) étale le faisceau en nappe laser (Figure 20).

Pour des raisons de sécurité d'utilisation d'un laser de classe 4, un capot de protection recouvre les optiques lasers et permet de sécuriser la zone contre le rayonnement.

Figure 20: Exemple de capotage pour les faisceaux du laser Nd:Yag 2*400 mJ.