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La DGV* ou la photographie des vitesses par laser

Pour rendre visibles les mouvements de l'air, l’écoulement dans la soufflerie a été ensemencé avec de très fines particules submicroniques, et éclairé par un plan laser. Ces particules suivent les lignes de champ du tourbillon, et diffusent la lumière laser jusqu’à la caméra.

*DGV = Doppler Global Velocimetry

Photographie prise en soufflerie d’un tourbillon de sillage d’avion en extrémité de voilure. La vélocimétrie Doppler globale permet de mesurer les vitesses de l'écoulement en chaque point de ce plan illuminé par laser.
Photographie prise en soufflerie d’un tourbillon de sillage d’avion en extrémité de voilure. La vélocimétrie Doppler globale permet de mesurer les vitesses de l'écoulement en chaque point de ce plan illuminé par laser.

Ce cliché a été obtenu dans le cadre du développement d ela technique de vélocimétrie globale à effet Doppler (DGV, pour Doppler Global Velocimetry). La DGV permet d’établir la vitesse de l’écoulement en tous points de la zone éclairée par le laser et d’en dresser la cartographie (voir ci-dessous).

Carte de l’intensité des vitesses d’un tourbillon de sillage obtenu par vélocimétrie globale à effet Doppler. Les vitesses sont d’autant plus élevées que l’on est proche du centre du tourbillon.
Carte de l’intensité des vitesses d’un tourbillon de sillage obtenu par vélocimétrie globale à effet Doppler. Les vitesses sont d’autant plus élevées que l’on est proche du centre du tourbillon.

Principe de la mesure

Il existe un écart de fréquence Df entre l’onde incidente (fo) sur une particule en mouvement et l’onde que celle-ci diffuse (f1), fonction de sa vitesse de déplacement. C’est ce qu’on appelle « l’effet Doppler ».

La technique de la DGV permet de déterminer cet écart en fréquence Df. On pourra donc accéder à une composante de la vitesse (|VR-E|).


Grâce à un système optique et informatique basé sur deux caméras CCD et un gaz (de la vapeur d'iode) dont une des fréquences d'absorption est proche de celle du faisceau incident, on peut faire correspondre le décalage en fréquence Df à une variation de transmission lumineuse DT.


La première caméra enregistre directement la lumière diffusée par le plan après la séparation du faisceau en deux. La deuxième enregistre l'autre moitié du faisceau après passage dans une cuve remplie d’iode en phase gazeuse. On exploite les propriétés d’absorption de l'iode pour différencier les fréquences émise et diffusée. Les intensités de la deuxième image rapportée à la première, dite de référence, fournissent en chaque point de l’image de quoi construire une carte de transmission.

Une des raies d'absorption de l'iode, dont l'un des "bords" sert à établir la relation entre décalage en fréquence (f1 - f0) et différence de transmission lumineuse correspondante sur l'image (T1 - T0)
Une des raies d'absorption de l'iode, dont l'un des "bords" sert à établir la relation entre décalage en fréquence (f1 - f0) et différence de transmission lumineuse correspondante sur l'image (T1 - T0)

Pour que cette méthode fonctionne, il faut que la fréquence de la source laser soit ajustée sur un front, montant ou descendant, d'une bande d'absorption de l'iode.

Les Df (f1-f0) sont alors déduits des écarts entre transmission de la lumière diffusée et transmission de la lumière émise.

Pour mesurer les 3 composantes de la vitesse par cette méthode,  il faut soit observer la même nappe laser avec 3 systèmes optiques  depuis des directions différentes pour faire varier le vecteur R, soit générer successivement  trois nappes laser coplanaires (pour faire varier le vecteur E), observées par un seul ensemble optique.

L'implantation du sytème DGV dans la soufflerie F2 du centre Onera du Fauga-Mauzac lors d'une campagne de mesure Onera/DLR
L'implantation du sytème DGV dans la soufflerie F2 du centre Onera du Fauga-Mauzac lors d'une campagne de mesure Onera/DLR

Le système laser pour la DGV en soufflerie : plusieurs faisceaux sont produits, d'une part pour étalonner la courbe de transmission de la cellule à iode, d'autre part pour générer trois plans laser pour une mesure de vitesse à trois composantes
Le système laser pour la DGV en soufflerie : plusieurs faisceaux sont produits, d'une part pour étalonner la courbe de transmission de la cellule à iode, d'autre part pour générer trois plans laser pour une mesure de vitesse à trois composantes

La DGV aujourd'hui

Cette méthode - DGV - est aujourd'hui en concurrence avec une autre méthode de vélocimétrie, qui n'utilise pas les propriétés de cohérence de la lumière laser : la PIV, ou Vélocimétrie par images de particules*. La PIV, plus économique et moins complexe à mettre en oeuvre, nécessite quant à elle de puissants calculateurs. Toutefois, pour certains usages, la DGV a des atouts décisifs : mesures ponctuelles à haute cadence, mesure de vitesses de gouttelettes dans un système d'injection, haut supersonique à trois composantes...

Par ailleurs la DGV est une technique riche d'enseignements et garde un intérêt pédagogique auprès des étudiants.

 

Article écrit avec le concours de Christine Lempereur, ingénieure au département Modèles pour l'aérodynamique et l'énergétique à Toulouse.

21.09.2010