Vélocimétrie par Images de Particules (PIV)

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1 Master 2 de Dynamique des Fluides et Energétique Techniques Expérimentales Avancés en Mécanique des Fluides Vélocimétrie par Images de Particules (PIV) Frédéric MOISY Université Paris-Sud Laboratoire FAST Bâtiment Orsay 1

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11 Turbulence en rotation Collaboration FAST Coriolis (Grenoble)

12 Vélocimétrie par Images de Particules PLAN 1. Introduction 2. Aspects matériels : 2.1 Particules 2.2 Laser, optique 2.3 Caméras 2.4 Synchronisation 3. Aspects logiciels : 3.1 Corrélation 3.2 Algorithmes avancés (itératifs) 3.3 Post-processing (filtrages) Analyse 4. Développements récents PIV stéréoscopique PIV bi-plan PIV 3D - tomographique 5. Synthetic Schlieren 12

13 2.1 - Ensemencement : billes de verres creuses 13

14 Ensemencement : choix de particules Diamètre Densité Tps réponse Particules pour l eau Billes de verre creuses Poudre aluminium 10 µm 1.1 g/cm 3 0,5 µs 3 µm 2.7 g/cm 3 0,9 µs Particules pour l air Gouttes d huile 1 µm 0.92 g/cm 3 0,3 µs Billes SiO µm 2.6 g/cm 3 5 µs 14

15 2.2 - Optique pour nappe laser Réfraction par une lentille cylindrique 15

16 Optique pour nappe laser Réglage épaisseur 16

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18 Visualisation (caméra) Agrandissement : M = y / Y = image/objet (< 1) 18

19 Profondeur de champ Application Micro-PIV 19

20 Limite de diffraction Tâche d Airy 2.44 /D 20

21 Erreurs de perspective 21

22 Lasers Lasers continus Puissance typique : W (5-50 keuros) (1 W donne 30 mj par image à 30 images/s) Lasers pulsés Durée pulse : ns Energie par pulse : - expé. Eau : mj (20-30 keuros) - expé Air : mj ( keuros) Fréquences : - Basse cadence (10-30 Hz) - Haute cadence (1 10 khz) 22

23 Laser pulsé double-cavité 23

24 2.3 - Caméras pour PIV Caméras standards Caméra double-frame Caméras rapides (RAM interne) Capteur CCD 8 10 bits CCD bits CMOS bits (256 à 1024 n.g.) (1024 à n.g.) Résolution 800 x x Hz x4 à 2x15 Hz à 5 khz Prix 1 ke 5 20 ke ke 24

25 Capteurs CCD Résolutions : 640x480 à 2048x

26 2.4 Synchronisation : système double-frame T = 1 / f Aq Caméra Laser 1 t t t Laser 2 26

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32 3. Cross-correlation 32

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34 Problème de discrétisation : peak-locking 34

35 Problème de discrétisation : peak-locking 35

36 Taille optimale des particules 36

37 Densité minimale des particules 37

38 Image «optimale» 38

39 Post-traitement Supression/ Remplacement Vecteurs aberrants Lissage 39

40 PIV : Logiciels commerciaux (Système d acquisition + traitement images) PIV : Logiciels libres (Traitement images seul) 40

41 Inhomogénéités de vitesse (e.g. cisaillement) 41

42 Déformations de fenêtres 42

43 4 - PIV stéréoscopique (3C2D) 43

44 Master 2 "Dynamique des Fluides et Energétique" - Cours de 44

45 PIV stéréo : principe 45

46 Focalisation : condition de Scheimpflug 46

47 Calibration pour PIV stereo 47

48 PIV stéréo double-plan Lavision 48

49 PIV multiplan (3D2C) 49

50 PIV multiplan stéréo par balayage rapide 50

51 PIV tomographique (3C3D) 51

52 PIV tomographique : Corrélations volumiques 52

53 Schlieren (Ombroscopie) Variations de densité Induites par température Variations de densité Induites par effets de compressibilité 53

54 «Synthetic» ou «Background-Oriented» Schlieren 54

55 Motif de points aléatoires 55

56 Background-Oriented Schlieren : flamme à 1500 C H Richard and M Raffel, Exp. Fluids (2001) 56

57 Background-Oriented Schlieren : Eurocopter BK117 H Richard and M Raffel, Exp. Fluids (2001) 57

58 Sillages : mesures couplées BOS - PIV 58

59 Free-surface synthetic Schlieren (FS-SS) Step 1: Images pair (I 0, I 1 ) of a refracted random dot pattern Step 3: Reconstruced topography h(x,y) Digital Image Correlation Step 2: displacement field r (x, y) -1 using a least-square inversion Moisy, Rabaud & Salsac, Exp in Fluids (2009) 59

60 Wave pattern induced by the impact of a drop (100 Hz) h (mm) 1 µm capillary ripples detected on a 20x20 cm 2 field 60