Aérodynamique fondamentale et expérimentale

Vélocimétrie laser

Mesure par vélocimétrie laser en soufflerie

La vélocimétrie laser est une technique de mesure de la vitesse d'un fluide.

Elle fournit des mesures de vitesses locales et instantanées, en n'utilisant que de la lumière et un aérosol. Elle n'est donc pas intrusive et permet l'investigation détaillée et précise d'écoulements aérodynamiques complexes. Elle est facilement utilisable pour mesurer des vitesses entre des pales en mouvement ou à proximité d'objets mobiles.

Cette technique est employée intensivement dans les souffleries de recherche. Par son caractère non intrusif et son degré d'évolution, la méthode dite à franges (VLF) est actuellement la seule capable de fournir des informations fiables en écoulements transsonique et supersonique.

Deux bancs sont actuellement utilisés au DAFE.

Description de la technique

Les lasers employés sont souvent de forte puissance. Avant de passer à la pratique, on consultera avec profit les règles de sécurités Laser.

La description d'un vélocimètre simple (paragraphe suivant) pourra être suivie d'une visite guidée un peu plus technique basée sur les vélocimètres du DAFE. 

Un lexique des termes employés pour les vélocimètres de l'ONERA est également à votre disposition.

Vélocimètre simple

Pour faire un vélocimètre minimal, il faut :

• une source laser (diode laser)  
• un cube semi-transparent et quelques miroirs  
• deux lentilles convergentes  
• une photodiode ou un photomultiplicateur  
• de la poussière ou un pulvérisateur  
• un peu de mécanique pour tenir les divers éléments 
• un peu d'électronique pour alimenter la source laser et la photodiode  
• un ordinateur capable d'acquérir un signal électrique et contenir quelques lignes de programmation

Prenez la source laser, et avec le cube semi-transparent, divisez le faisceau en deux parts égales. A l'aide de trois miroirs, repliez les deux faisceaux obtenus pour qu'ils soient parallèles. Placez une lentille convergente sur leur trajet. Ainsi, les faisceaux se croisent au point focal de la lentille comme le montre la figure suivante :

Si vous examinez la zone de recouvrement des faisceaux, vous verrez un réseau de franges d'interférence. C'est une succession de plans lumineux parallèles et équidistants. Cette zone est appelée volume de mesure.

Quand un grain de poussière ou une minuscule goutte d'huile, entraîné par un courant d'air, traverse le volume de mesure, il est alors possible de le voir scintiller au passage des plans lumineux. Les plans étant parallèles et équidistants, la cadence du scintillement est proportionnelle à la vitesse de la particule. Le petit film ci-dessous montre le passage d'une particule dans un réseau de frange.

Maintenant pour récupérer l'information, faites l'image du volume de mesure sur la photodiode avec la seconde lentille

En amplifiant convenablement le signal de la photodiode, vous verrez sur votre oscilloscope un signal dont chaque pic correspond au passage du grain de poussière dans un plan lumineux.

A l'aide de l'ordinateur, enregistrez ce signal lumineux, et analysez le pour en mesurer la fréquence caractéristique.

Avec quelques formules de mathématiques, reliez la fréquence caractéristique à la composante de vitesse perpendiculaire aux franges. La distance entre les franges est supposée connue.

Déduisez alors la vitesse de la fréquence. Vous venez de mesurer une vitesse par vélocimétrie laser à franges.

Si la particule qui a donné ce signal est assez légère pour être bien entraînée par le courant d'air, la vitesse que vous venez de mesurer est aussi celle de l'air.

Au cours du temps, suite au passage aléatoire des particules dans le volume de mesure, vous pouvez enregistrer une série de vitesses instantanées. La vitesse moyenne et le taux de turbulence sont alors déterminés par traitement statistique sur une population de particules comme l'illustre cette figure :

Un vélocimètre laser utilisant ces éléments est actuellement en service au LETIEF , à Créteil. Voir aussi la référence [Jurski K., Géhin E., Attoui M.B. et Piar G]

Multi composantes

L'instrument ci-dessus ne mesure qu'une des 3 composante d'un vecteur vitesse. En utilisant trois longueurs d'ondes, et en créant en un point trois réseaux de franges différemment orientés, on peut mesurer simultanément les trois composante de la vitesse.

Les deux bancs de vélocimétrie du DAFE à l'Onera sont équipé pour cette mesure.

Mis à jour le 18 juillet 2005 - © ONERA 2009 - Crédits et conditions d'utilisation