Anémométrie par Laser Doppler (LDA

PIV résolu en temps (TR-PIV)

Le PIV tel que celui employé par Angele et Muhammad-Klingmann (2006), n’est pas résolu en temps. Il permet uniquement d’effectuer une analyse statistique sur une série d’image mais ne permet pas d’étudier par exemple les fréquences des structures mises en jeu dans l’écoulement. Aujourd’hui, de nouvelles technologies de caméra à haute fréquence d’acquisition et de lasers double-cavités plus rapides (Nd-YLF) permettent la mesure PIV résolue en temps (TRPIV). Par exemple Dantec-Dynamics (2013) propose des TR-PIV dont la fréquence d’échantillonnage s’élève jusqu’à 1kHz. Un tel appareil, offrant la possibilité de visionner un “film” de l’écoulement, constitue le pendant expérimental de la simulation numérique et peut donc bénéficier des mêmes outils d’analyse, comme par exemple la décomposition orthogonale en modes propres (POD). Shi et al. (2010), dans le cadre de l’étude du recollement derrière un cylindre à base carrée de côté H, utilisent un TR-PIV et font l’acquisition de séries de 61440 images à 125 Hz. Cela leur permet de tracer une cartographie de χ = 1 − γ dans l’intégralité de la zone de recollement (Figure 1.6(a)) et même de voir son évolution dans le temps. La distribution axiale de χ pour y/H = 0.08 est reportée sur la Figure 1.6(b). Shi et al. (2010), contrairement à Patrick (1987) , trouvent une correspondance parfaite entre le point (χ = 0.5) et le point de vitesse axiale moyenne nulle (￣U= 0). Enfin, en effectuant des corrélations croisées en temps et en espace ils sont parvenus à observer la fréquence de battement associée au passage de chaînes de tourbillons dans la bulle de séparation et à en estimer un nombre de Strouhal (StH) compris entre 0.03 et 0.05. Rappelons que le nombre de Strouhal (Stx) représente une fréquence adimensionnelle et est défini par :

PIV stéréoscopique (SPIV)

Il a été établi depuis longtemps que le phénomène de décollement de la couche limite est un phénomène tridimensionnel. Par exemple Ruderich et Fernholz (1986) ont clairement mis en évidence l’importance des effets tridimensionnels par des visualisations par films d’huile dans leur expérience de la plaque à bord d’attaque épais. Ils ont de plus montré que ces effets sont bien intrinsèquement liés à la nature de l’écoulement et non à une inhomogénéité de la pression statique dans le sens de l’envergure. Le PIV stéréoscopique apparaît donc comme un outil précieux pour l’étude du phénomène de décollement de la couche limite. Son principe dérive de celui du PIV par l’utilisation de deux caméras. La mise en correspondance des images acquises par les deux caméras permet de déterminer la troisième composante du vecteur vitesse. Par exemple, Hartmann et al. (2010) utilisent un PIV stéréoscopique résolu en temps (TR-SPIV) comprenant deux caméras CMOS de résolution 1024x1024px capables d’atteindre une fréquence d’échantillonnage de 2kHz en pleine résolution (Figure 1.7). Le TR-SPIV est monté en respectant la loi de Scheimpflug. Cette configuration impose à l’utilisateur d’ajuster finement, pour chaque caméra, l’angle entre la cellule réceptrice et la lentille afin d’obtenir une image nette. Lorsqu’il est correctement configuré, un tel appareil permet de visualiser les caractéristiques dynamiques du champ de vitesse tridimensionnel dans un volume de contrôle couvrant la totalité de la zone d’intérêt.

Discussion

Les méthodes optiques ont l’avantage de donner accès à un très grand nombre d’informations sur l’écoulement et c’est d’autant plus le cas avec le développement des dernières générations de systèmes TR-SPIV. Néanmoins, hormis leur prix qui peut s’élever jusqu’à plusieurs centaines de milliers de dollars, il s’agit d’appareils dont la mise en oeuvre expérimentale très complexe nécessite un contrôle très rigoureux. Un système TR-SPIV vient d’être acquis au sein du laboratoire TFT grâce à une subvention du fonds canadien FCI Leader. Cet outil permettra sans conteste une compréhension accrue du phénomène de décollement de la couche limite. Cependant, avant de pouvoir effectuer des mesures convenables, une longue procédure de mise en place et de validation sera nécessaire. C’est pourquoi il est primordial de se doter en premier lieu d’un outil de caractérisation peu coûteux et moins complexe qui pourra servir à corroborer les résultats issus du TR-SPIV. Les méthodes optiques ne semblent donc pas être adaptées aux objectifs que nous nous sommes posés initialement.

Mesures de pression instationnaire Parmi les capteurs permettant de mesurer une pression rapidement variable ont distingue deux grandes familles : les capteurs à membrane et les capteurs à élément sensible (Godefroy, 2000, p.3). Les capteurs à membrane les plus fréquemment utilisés sont les capteurs à jauges extensiométriques et les capteurs capacitifs. Dans le premier cas, quatre jauges sont montées dans un pont de Wheatstone pour mesurer la déformation de la membrane. Dans le second, la membrane joue le rôle d’une électrode mobile de condensateur, l’autre électrode étant fixée au boîtier. Les capteurs dits «à élément sensible» comportent un élément qui voit l’une de ses propriétés physiques changer avec la variation de pression. Parmi ceux-ci, le plus répandu est le capteur piézo-résistif qui consiste à mesurer la variation de résistivité électrique d’un élément en quartz. En général, les capteurs piézo-résistifs sont capables de mesurer des fréquences de fluctuation de pression plus importantes que les capteurs à membrane traditionnels.

Néanmoins, dans tous les cas, le rapport entre le signal mesuré et le niveau de bruit est un facteur très limitant de l’utilisation de tels instruments et dépend principalement du domaine de pression de l’application. D’autre part, il est important d’évaluer précisément la réponse fréquentielle du capteur, en amplitude et en phase, afin d’en connaître ses limitations. Dans leur expérience de séparation de la couche limite sur plaque plane à bord d’attaque épais, Kiya et Sasaki (1983) ont mesuré les fluctuations de pression à différentes positions, à la surface de la plaque, grâce à un transducteur à jauges extensiométriques semi-conductrices. L’analyse du comportement fréquentiel de la sonde a révélé un gain unitaire, sans déphasage significatif, jusqu’à une fréquence de 530 Hz (Kiya et Sasaki, 1983, p.86). En effectuant un spectre de puissance de la pression fluctuante au voisinage de la ligne de recollement (x/xR = 1) ils ont observé un maximum au nombre de Strouhal de StxR _ 0.6 qu’ils ont associé au passage de structures tourbillonnaires cohérentes de grande échelle. De plus, en s’approchant du bord amont de la plaque ils ont mis en évidence l’apparition d’une fréquence plus faible. Par exemple à (x/xR = 0.2) un pic de puissance apparaît clairement à StxR = 0.12 (Figure 1.9). Cette basse fréquence est interprétée comme le résultat du mouvement oscillatoire, dit de battement, de la bulle de séparation (Kiya et Sasaki, 1983, p.98).

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Table des matières

INTRODUCTION
CHAPITRE 1 REVUE DE LITTÉRATURE
1.1 Méthodes optiques
1.1.1 Anémométrie par Laser Doppler (LDA
1.1.1.1 Principe de mesure
1.1.1.2 Mesures de Patrick (1987
1.1.1.3 Discussion
1.1.2 Vélocimétrie par Images de Particules (PIV)
1.1.2.1 Principe de mesure
1.1.2.2 PIV résolu en temps (TR-PIV)
1.1.2.3 PIV stéréoscopique (SPIV
1.1.2.4 Discussion
1.2 Méthodes manométriques
1.2.1 Coefficient de pression statique
1.2.2 Mesures de pression instationnaire
1.2.3 Mesures d’intermittence
1.2.4 Discussion
1.3 Méthodes thermiques
1.3.1 Capteurs de type «Thermal Tuft»
1.3.2 Capteurs à deux éléments couplés
1.3.3 Capteurs à deux éléments séparés
1.3.4 Capteur de type «Pulsed-wire»
1.3.5 Discussion
1.4 Conclusion
CHAPITRE 2 CONCEPTION
2.1 Choix des éléments actifs
2.1.1 Fils latéraux
2.1.1.1 Matériau
2.1.1.2 Géométrie
2.1.1.3 Courant d’alimentation
2.1.2 Fil central
2.1.2.1 Matériau
2.1.2.2 Géométrie
2.1.2.3 Courant d’alimentation
2.1.3 Espacement des fils
2.1.4 Bilan
2.2 Conception du socle
2.2.1 Aiguilles
2.2.2 Lamelle
2.2.3 Bouchon
2.2.4 Coulisseau
2.3 Conditionnement du signal
2.3.1 Double-pont
2.3.2 Circuit de Eaton et al. (1979)
2.3.3 Circuit modifié
CHAPITRE 3 FABRICATION
3.1 Préparation du socle
3.1.1 Usinage
3.1.2 Montage des aiguilles
3.2 Soudure des fils
3.2.1 Fil de Nichrome
3.2.2 Fils de Tungstène
3.2.3 Déplacement du coulisseau
3.3 Montage des circuits
3.3.1 Double-pont
3.3.2 Circuit imprimé
CHAPITRE 4 VALIDATION
4.1 Caractérisation du capteur dans un résonateur acoustique
4.1.1 Dispositif expérimental
4.1.1.1 Résonateur
4.1.1.2 Pression de référence
4.1.1.3 Vitesse de référence
4.1.1.4 Montage expérimental
4.1.2 Méthodologie
4.1.2.1 Protocole de mesure
4.1.2.2 Traitement des données
4.1.2.3 Plan d’expérience
4.1.3 Résultats
4.1.3.1 Cas de référence
4.1.3.2 Influence du courant d’alimentation
4.1.3.3 Influence du niveau de pression acoustique
4.1.3.4 Influence de l’orientation du capteur
4.1.3.5 Vérification de la symétrie
4.1.4 Conclusion
4.2 Validation du circuit conditionneur sur pot vibrant
4.2.1 Méthodologie
4.2.1.1 Montage expérimental
4.2.1.2 Contrôle du pot vibrant
4.2.1.3 Protocole expérimental
4.2.1.4 Traitement des données
4.2.2 Résultats
4.2.2.1 Réglage du zéro
4.2.2.2 Comportement du pont
4.2.2.3 Signaux de sortie
4.2.2.4 Analyse
4.2.3 Conclusion
CHAPITRE 5 APPLICATION
5.1 Présentation de l’écoulement
5.2 Méthodologie
5.3 Résultats
5.3.1 Équilibrage du circuit
5.3.2 Convergence et répétabilité
5.3.3 Distributions de γ et fc
5.4 Analyse
5.4.1 Comparaison à la visualisation par film d’huile
5.4.2 Comparaison aux résultats de Patrick (1987)
5.4.3 Aspects dynamiques
CONCLUSION
ANNEXE I INVESTIGATIONS FUTURES
ANNEXE II PROTOCOLES DE SOUDURE DES ÉLÉMENTS ACTIFS
ANNEXE III VALIDATION DU DIMENSIONNEMENT DU FIL CENTRAL
ANNEXE IV SOUFFLERIE À DÉCOLLEMENT DE COUCHE LIMITE DU TFT
BIBLIOGRAPHIE