Énergétique fondamentale et appliquée

Mesures optiques et visualisations pour l'énergétique

L’unité "Mesures optiques et visualisations" apporte ses compétences à différentes équipes de recherches de l’Onera, dont celles de son département, le DEFA, dans le cadre de caractérisations détaillées d'écoulements réactifs ou non, monophasiques ou diphasiques. Ces caractérisations font de plus en plus souvent appel à des techniques non intrusives de mesures optiques, pouvant être classées en 4 catégories principales d'utilisation :

Techniques de visualisation [voir Mascotte]
Vélocimétrie Laser Doppler (LDV) [voir Vélocimétrie laser au DAFE]
Vélocimétrie par Imagerie de Particules (PIV) [voir PIV au DAAP]
Mesures de taille et de vitesse de particules par technique Phase Doppler (PDPA)

Pour les techniques de mesure de vitesse (2 et 3), un ensemencement en particules servant de traceurs au sein du fluide est nécessaire à la mesure. Pour ce faire, l’unité dispose de plusieurs systèmes d’ensemencement de particules adaptés aux écoulements réactifs.

Techniques de visualisations

Dans le domaine de la visualisation nous possédons deux caméras vidéo numériques rapides :

Phantom V4 (Vision Research, Photosonics) permettant d’obtenir 1000 images/s en plein format soit 512*512 pixels et jusqu’à 32000 images/s en format réduit (128*64 pixels).
Photron Ultima Apx Intensifiée plus récente et permettant d’obtenir 2000 images/s sur 3 secondes d’enregistrement en plein format soit 1024*1024 pixels et jusqu’à 15000 images/s en format réduit (256*256 pixels). Grâce à son intensificateur équipé d’une photocathode sensible aux UV des analyses fines et à hautes cadences des émissions de flammes peuvent être réalisées.

Visualisations instationnaires réalisées sur banc statoréacteur
par caméra vidéo rapide intensifiée [video]

Ces caméras peuvent être associées et synchronisées à un laser à vapeur de cuivre Oxford Laser Cu 15 permettant d’effectuer de l’imagerie synchronisée en tomographie ou en rétroéclairage et ombroscopie à grande cadence. Ce laser impulsionnel permet des cadences de 1 kHz à environ 15 kHz.

Exemple de visualisation rapide au banc Mascotte :
Evolution du jet LOX en fonction de la pression chambre

Exemple de résultats de visualisation sur le stato de recherches au banc M1 :
analyse des visualisations instationnaires réalisées par caméra vidéo rapide intensifiée
sur l'émission spontanée du radical OH
[image en + grand]

Mesures de vitesse par Vélocimétrie Doppler Laser (LDV)

L’unité possède un vélocimètre laser à fibres optiques permettant de déterminer les 3 composantes de vitesse (u, v, w) dans l’espace. Plusieurs campagnes d’essais ont été réalisées avec cet équipement pour des vitesses allant de quelques m/s à plus de 600 m/s dans la configuration optique actuelle (focales émettrice et réceptrice de 500 mm).

Plusieurs applications complexes et en milieu parfois hostile ont été réalisées ces dernières années dans le cadre de campagnes d’essais au banc Mascotte, au banc Bathire et plus récemment au banc M1.

L’acquisition récente d’une nouvelle unité de traitement des signaux bruts (FSA de TSI) permet d’explorer des gammes de vitesses bien plus importantes couplées à un traitement type Phase Doppler pour une caractérisation granulométrique des écoulements diphasiques.

Résultats de LDV au banc Merci :
écoulement secondaire dans le canal en rotation, Re = 5000, Ro = 0.33

Mesures de vitesse par Imagerie de Particules (PIV) ou suivi de particules (PTV)

Depuis fin 2001, l'unité dispose également d’un système PIV/PTV (Particle Image Velocimetry /Particle Tracking Velocimetry) permettant de mesurer un champ instantané de vitesses (2 composantes) dans un plan.Les campagnes d’essais effectuées depuis l’acquisition de ce matériel ont permis de caractériser d’une part des écoulements non réactifs (banc MERCI, jet chaud) mais aussi de faire une première campagne en écoulement réactif (stato de recherche au banc M1)

Le banc Merci pour l'étude des écoulements
dans des canaux en rotation

Banc Merci, canal lisse en rotation
Débit 1.8 g/s, écoulement centrifuge, hauteur 10 mm.

Banc Merci, canal lisse en rotation
Débit 1.8 g/s, écoulement centripète, hauteur 10 mm.

Mesures de taille et de vitesse de particules par technique Phase Doppler

Pour les analyses des écoulements diphasiques, l'unité dispose d’un granulomètre-vélocimètre (une composante de vitesse) Phase Doppler PDPA (Phase Doppler Particle Analyzer, Aerometrics). Ce système de mesure simultanée de taille et de vitesse de particules (solide ou liquide) permet une analyse dans une gamme de quelques microns à plusieurs centaines de microns. Pour déterminer la taille d’une particule (liquide ou solide) le montage optique de base est le même que celui de la vélocimétrie laser Doppler.

L’utilisation de cette technique sur des brouillards en combustion (banc Mascotte, train de gouttes monodisperse en combustion) nous a permis d’avoir une bonne maîtrise de l’ensemble de la méthode optique utilisée.

Le nouveau module FSA, acquis récemment, va aussi améliorer la connaissance des milieux diphasiques complexes en analysant simultanément 2 composantes de vitesse et la taille de la particule (solide ou liquide).

Logiciels disponibles

Des logiciels spécifiques sont bien entendu associés à chaque technique.

Il existe en particulier deux logiciels d’acquisition et de traitement des données pour la vélocimétrie laser (DSA et FSA), un autre pour le traitement des images de la PIV (Davis de la société LaVision). Enfin, un logiciel généraliste de traitement d’images (Visilog) permet de fournir des informations qualitatives mais aussi quantitatives sur les différentes visualisations.

Bienvenue à l'Onera, le centre français de recherche aérospatiale