MÉTHODES DE MESURE EN AÉRODYNAMIQUE Partie 4 Mesures dans le champ
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- Cyril Ducharme
- il y a 8 ans
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1 MÉTHODES DE MESURE EN AÉRODYNAMIQUE Partie 4 Mesures dans le champ Jean Délery Conseiller émérite à l Onera jean.delery@free.fr
2 Partie 4 Mesures dans le champ Méthodes de sondage intrusives
3 Sondes de pression traditionnelles Tube de Pitot (1726) p V p i p i p chaîne de mesure p = p i -p capteur de pression différentiel écoulement incompressible Bernoulli V 2 0 p i p
4 Tube de Pitot en écoulement supersonique M 1 1 p i2 p i1 capteur de pression mesure la pression d'arrêt derrière un choc droit
5 Sonde de Pitot aplatie pour exploration de couche limite 2 mm 0,2 mm paroi capteur
6 Mesure du nombre de Mach en soufflerie supersonique M 1 1 p i2 p i 1 p i2 p i1 théorie onde de choc droit capteur pression génératrice soufflerie connue sonde de Pitot p p i i M M inversion numérique nombre de Mach M 1
7 Sonde de pression anémoclinométrique sonde Pitot simple sonde Pitot aplatie pour exploration de couche limite deux types de sonde Pitot
8 Sonde de pression anémoclinométrique mât support traversant la paroi sonde Pitot avec raidisseur pour exploration de couche limite
9 Sonde de pression anémoclinométrique sonde Pitot à deux mâts support pour exploration de couche limite
10 L'antenne de Prandtl (mesure de la vitesse sur un avion) p 0 V 0 p p 0 p i p p i p chaîne de mesure p i capteur différentiel p incompressible mesure p relation de Bernoulli vitesse de l'écoulement p i p
11 Sonde pour mesure du nombre de Mach de vol en supersonique p 1 p s p 1 M 1 p i2 p i1 p i2 p 1 capteur capteur p p si orifice assez en aval pression sonde s 1
12 Sonde pour mesure du nombre de Mach de vol en supersonique Méthodes de mesure en aérodynamique formule de Rayleigh i M M M p p 2 i 2 p pression d'arrêt derrière le choc normal pression statique devant le choc normal 1 i p p 2 inversion de la formule de Rayleigh nombre de Mach
13 Sonde de pression statique L 12 D D capteur de pression Sonde de pression statique de type GG capteur de pression
14 Sonde de pression anémoclinométrique sonde de pression statique de type GG
15 Sondes de température d'arrêt effet thermocouple différence de potentiel V température T 2 métal 2 soudure chaude métal 1 température T 1 soudure froide V k T k T2 T1 T2 T1 V k
16 Sondes de température d'arrêt 0,3mm soudure simple placée face au vent étalonnage, discrétion sonde d'arrêt ventilée coefficient proche de 1, encombrement
17 Sonde triple : pression d'arrêt, pression statique, température pression statique pression Pitot température d'arrêt
18 Sonde de pression anémoclinométrique mât support explorateur automatisé sonde triple installée dans une veine de soufflerie supersonique
19 Sonde de pression anémoclinométrique objectif détermination du vecteur vitesse moyenne (module et angles directeurs), du nombre de Mach, de la pression au sein d'un écoulement application sondage d'écoulements du subsonique au supersonique techniques mesure de la pression en N orifices situés sur un embout de sonde (usuellement N= 3, 5 ou 7) écarts de pression direction de la vitesse par rapport à l'axe de la sonde
20 Sonde de pression anémoclinométrique sonde à 3 trous aplatie pour exploration de couche limite Mesure de la vitesse (module et direction, nombre de Mach) dans une couche limite tridimensionnelle vitesse 3 1 capteurs 2 sonde (vue de côté) paroi pression p 0
21 Sonde de pression anémoclinométrique ,05mm sonde à 3 trous aplatie pour exploration de couche limite
22 Sonde de pression anémoclinométrique sonde de couche limite à 3 trous mesure des pressions p 1, p 2, p 3 et p 0 (statique paroi) coefficients avec p2 1 C p( ) Q p Q C p(st) p p p p étalonnage dans un écoulement connu : on fait varier p 3 2 p Q st C p(st) g( ) C p( ) f( ) valeurs mesurées C angle pression d'arrêt p st Mach p( ) C p(st)
23 Sonde de pression anémoclinométrique sonde à 4 trous aplatie pour exploration de couche limite
24 Sonde de pression anémoclinométrique diamètre : 1,5 mm macrophotographie d'un embout de sonde à 5 trous
25 Sonde de pression anémoclinométrique (X,Y,Z) système sonde OX est l'axe de la sonde les angles et repèrent la direction de la vitesse par rapport au système sonde
26 Sonde de pression anémoclinométrique 0 Y X Z 2 sonde à 5 trous - repérage des trous
27 Sonde de pression anémoclinométrique vue de face 3 vue de côté sonde à 5 trous - repérage des trous
28 Sonde de pression anémoclinométrique à 5 trous mesure des pressions p 1, p 2, p 3, p 4 et p 5 coefficients C p(s) p p 5 Cs(st) st K p m p p p 4 5 p 2 p m 1 p2 3 p4 p 4 étalonnage : on fait varier le nombre de Mach, les angles et valeurs mesurées C s(st) pression d'arrêt p st pression K C K p(s) p p 3 5 K p m p 5 p 1 p m statique p s
29 Sonde de pression anémoclinométrique tuyère rotation rotation rotation banc d'étalonnage de sondes multi trous
30 Sonde de pression anémoclinométrique banc d'étalonnage de sondes multi-trou
31 Sonde de pression anémoclinométrique diamètre : 1,5 mm macrophotographie d'un embout de sonde à 5 trous
32 Sonde de pression anémoclinométrique diamètre : 1,5 mm macrophotographie d'un embout de sonde à 7 trous
33 Sonde de pression anémoclinométrique diamètre : 1,5 mm macrophotographie d'un embout de sonde à 7 trous
34 Sonde de pression anémoclinométrique diamètre : 1,5 mm macrophotographie d'un embout de sonde à 7 trous
35 Sonde de pression anémoclinométrique sonde à 7 trous avec son support
36 Sonde de pression anémoclinométrique tubes pour la mesure des pressions sonde à 7 trous avec son support
37 Peigne de sondes de pression
38 Sonde anémométrique à fil chaud document Dantec
39 Sonde anémométrique à fil chaud un fil très fin est chauffé par passage d'un courant électrique d'intensité I l'équilibre thermique du fil résulte du bilan chauffage électrique - refroidissement convectif si la vitesse de l'écoulement change le transfert convectif change ainsi que la température du fil si la température change la résistance du fil change variations de résistance variations de vitesse
40 Sonde anémométrique à fil chaud courant électrique Current I Sensor dimensions dimensions: du fil length longueur ~1 mm 1mm diameter diamètre ~5 micrometer 5 µm vitesse U Velocity U Sensor (thin wire) fil chaud Wire broches supports (St.St. support needles) sonde à un fil : mesure la composante de vitesse normale au fil
41 Sonde anémométrique à fil chaud modes de fonctionnement courant constant intensité I maintenue constante résistance du fil varie mesure de R par pont de Wheatstone R w w signal fil chaud
42 Sonde anémométrique à fil chaud modes de fonctionnement R w température constante résistance du fil maintenue constante (par un asservissement) mesure de l'intensité I fil chaud signal
43 Sonde anémométrique à fil chaud Le fil est étalonné dans un écoulement de vitesse connue tension (V) E1 v.u E1 (v) vitesse U velocity (m/s) courbe d'étalonnage d'un fil chaud
44 Sonde anémométrique à fil chaud domaine d'utilisation bien adapté à la mesure des faibles vitesse dans l'air et dans l'eau peut être utilisé en supersonique, mais étalonnage délicat très large bande passante (plusieurs centaines de khz) étude de la turbulence
45 Sonde anémométrique à fil chaud y U 1 fil 2 V fil 1 U 2 U x système "fils" : 1, 2 système "sonde" : x, y sonde à deux fils en X pour la mesure de deux composantes
46 Sonde anémométrique à fil chaud document Dantec Sondes à deux fils pour la mesure de deux composantes de la vitesse
47 Sonde anémométrique à fil chaud z 3 35 x 55 Probe stem document Dantec 2 document Dantec sonde tri-axiale pour les mesures en tridimensionnel
48 Sonde anémométrique à fil chaud alimentation conditionnement amplification acquisition, traitement soufflerie d'étalonnage document Dantec chaîne fil chaud typique
49 Partie 3 Mesures dans le champ Méthodes optiques non-intrusives Avec ensemencement par des particules
50 Vélocimétrie laser à franges
51 Vélocimétrie laser à franges principe de base méthode mesure de la vitesse de particules entraînées par l'écoulement déterminer la fréquence du scintillement produit par une particule traversant un réseau de franges création du réseau de franges interférence de deux faisceaux émis par un laser
52 Vélocimétrie laser à franges source Source laser laser Cube semi-transparent cube semi-transparent volume de mesure Volume de mesure faisceau laser Faisceau laser Miroir miroir lentille Lentille de de focalisation faisceau laser Faisceau laser partie émission création du réseau de franges
53 Vélocimétrie laser à franges réseau de franges à l'intersection de deux faisceaux laser
54 Vélocimétrie laser à franges scintillement d'une particule passant par une frange brillante
55 Vélocimétrie laser à franges scintillement d'une particule traversant le réseau de franges
56 Vélocimétrie laser à franges source laser Source laser cube semi-transparent Cube semi-transparent volume Volume de de mesure mesure faisceau laser Faisceau laser miroir Miroir lentille Lentille de focalisation faisceau laser Faisceau laser télescope Optique de collecte Photodiode photo-multiplicateur partie réception de la lumière diffusée par la particule
57 Vélocimétrie laser à franges signal issu du photo-multiplicateur
58 Vélocimétrie laser à franges t 0 temps -0.5 f = 1/t amplitude Signal signal électrique du récepteur du récepteur -1.0 fréquence f caractéristique du signal électrique
59 Vélocimétrie laser à franges Z interfrange i i W V particule Particule U k i X d t = i / (V cos ) f = 1/ t = U / i U = i f
60 Vélocimétrie laser à franges 0 burst non filtré Amplitude du signal (V) burst filtré temps en µs mesure de la fréquence
61 Vélocimétrie laser à franges mesure de la fréquence problème extraire une fréquence très élevée (plusieurs MHz) d'un signal très bref (quelques µs) corrélateur de photon suiveur de fréquence (basses vitesses) compteur électronique (mesure la période) analyseur de fréquence (transformée de Fourier du signal)
62 Vélocimétrie laser à franges pour 2 composantes Lentille d'émission lentille d'émission expanseur Expanseur chemin Chemin vert vert chemin bleu Chemin bleu chemin commun Chemin commun bleu et vert Séparateur de couleurs lame dichroïque Lame dichroïque diviseurs Diviseurs Bragg lame dichroïque Lame dichroïque Laser Argon Toutes Raies laser toutes raies séparateur pour deux couleurs
63 Vélocimétrie laser à franges pour 2 composantes création de deux réseaux de franges de couleurs différentes
64 Vélocimétrie laser à franges pour 2 composantes télescope photomultiplicateurs partie réception : séparation des couleurs bleu et verte
65 Vélocimétrie laser à franges pour 3 composantes violet optiques de focalisation bleu+vert diviseur de faisceau cellules de Bragg volume de mesure veine d'essais miroir dichroïque miroir dichroïque compteurs télescope PM violet PM vert PM bleu laser toutes-raies 6W laser mono-raie 3W simultanéité PC
66 Vélocimétrie laser à franges laser bleu+vert laser violet séparateur de couleurs pour trois composantes
67 Vélocimétrie laser à franges faisceaux laser d'un système à trois composantes
68 Vélocimétrie laser à franges. Système à 3 composantes banc émission et système de déplacement
69 Vélocimétrie laser à franges Laser laser Lumière 180 rétro diffusion particule Particule angle angle de de diffusion Direction de la lumière diffusée direction de diffusion 0 diffusion avant lumière Lumière diffusée diffusion de la lumière par une particule
70 Vélocimétrie laser à franges banc en diffusion avant autour d'une soufflerie
71 Vélocimétrie laser à franges Histo 200 Population = particu Moyenne = 16.8 m/s Ecart-type moyenne = : ,8 m/s m/s Asymétrie = Aplatissement écart type : = 1, m/s 150 population : part. rticules U (m/s) histogramme de vitesse en écoulement turbulent
72 Vélocimétrie laser à franges traitement statistique acquisition au point de mesure d'un échantillon de N valeurs de la composante de vitesse instantanée U i vitesse moyenne U 1 n N n i U i N n1 tensions de Reynolds u u i j 1 N n N n1 n n U U U U i i j j
73 Vélocimétrie Doppler globale ou Doppler Global Velocimetry (DGV)
74 Vélocimétrie Doppler globale ou DGV principe de base détermination de la vitesse par mesure de l'effet Doppler sur la lumière diffusée par des particules entraînées par l'écoulement méthode ensemencement par des particules submicroniques illumination par un plan de lumière laser mesure de l'écart de fréquence (effet Doppler) via une cellule à iode à bandes d'absorption très étroites enregistrement de la lumière transmise sur une caméra vidéo et traitement
75 Vélocimétrie Doppler globale ou DGV illumination composante mesurée 0 v m particule r e vitesse V direction d'illumination direction d'observation effet Doppler o o v. c r e
76 Vélocimétrie Doppler globale ou DGV flow écoulement source Laserlaser Light Sheet plan laser objectif Objective Splitter cube séparateur caméra Reference de Camera référence Iodine Cell cellule à iode Signal Camera caméra Screen PC schéma du dispositif
77 Vélocimétrie Doppler globale ou DGV plan objet caméra CCD référence filtre neutre 50% objectif image lentille relais diviseur cellule à iode caméra CCD signal système d'enregistrement à un seul objectif
78 Vélocimétrie Doppler globale ou DGV
79 Vélocimétrie Doppler globale ou DGV ensemble réception d'un banc DGV
80 Particle Image Velocimetry (PIV) ou Vélocimétrie par image de particules
81 Particle Image Velocimetry (PIV) principe de base mesure de la vitesse de particules entraînées par l'écoulement à partir de deux photos successives prises à un très court intervalle de temps méthode t 1 t 2 X V X t 2 t 1 ensemencement de l'écoulement par des particules submicroniques deux illuminations successives par deux flashes laser enregistrement sur caméra CCD des deux images traitement par techniques de corrélation pour déterminer les positions successives de la même particule
82 Particle Image Velocimetry (PIV) nappe laser nappe laser image laser laser ensemencement ensemencement traitement caméra camera PC
83 Particle Image Velocimetry (PIV) image des particules dans la nappe laser
84 Particle Image Velocimetry (PIV) Z(mm) X(mm) champ des vecteurs vitesse après traitement
85 Particle Image Velocimetry (PIV) Z(mm) X(mm) lignes de courant associées
86 MÉTHODES DE MESURE EN AÉRODYNAMIQUE Fin de la partie 4 Mesures dans le champ L'aventure continue dans la prochaine partie
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