MÉTHODES DE MESURE EN AÉRODYNAMIQUE Partie 4 Mesures dans le champ

MÉTHODES DE MESURE EN AÉRODYNAMIQUE Partie 4 Mesures dans le champ Jean Délery Conseiller émérite à l Onera jean.delery@free.fr

Partie 4 Mesures dans le champ Méthodes de sondage intrusives

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

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

Sonde de Pitot aplatie pour exploration de couche limite 2 mm 0,2 mm paroi capteur

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 2 1 1 2 1 M 2 1 1 1 1 1 2 1 1 1 M 2 1 1 inversion numérique nombre de Mach M 1

Sonde de pression anémoclinométrique sonde Pitot simple sonde Pitot aplatie pour exploration de couche limite deux types de sonde Pitot

Sonde de pression anémoclinométrique mât support traversant la paroi sonde Pitot avec raidisseur pour exploration de couche limite

Sonde de pression anémoclinométrique sonde Pitot à deux mâts support pour exploration de couche limite

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

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

Sonde pour mesure du nombre de Mach de vol en supersonique Méthodes de mesure en aérodynamique formule de Rayleigh 1 2 1 1 2 1 1 1 2 1 1 i M 2 1 1 M 1 1 1 2 1 1 M 1 2 1 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

Sonde de pression statique L 12 D D capteur de pression Sonde de pression statique de type GG capteur de pression

Sonde de pression anémoclinométrique sonde de pression statique de type GG

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

Sondes de température d'arrêt 0,3mm soudure simple placée face au vent étalonnage, discrétion sonde d'arrêt ventilée coefficient proche de 1, encombrement

Sonde triple : pression d'arrêt, pression statique, température pression statique pression Pitot température d'arrêt

Sonde de pression anémoclinométrique mât support explorateur automatisé sonde triple installée dans une veine de soufflerie supersonique

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

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

Sonde de pression anémoclinométrique 1 2 3 0,05mm sonde à 3 trous aplatie pour exploration de couche limite

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 3 0 1 2 1 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)

Sonde de pression anémoclinométrique sonde à 4 trous aplatie pour exploration de couche limite

Sonde de pression anémoclinométrique diamètre : 1,5 mm macrophotographie d'un embout de sonde à 5 trous

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

Sonde de pression anémoclinométrique 0 Y 4 1 0 X 5 3 0 Z 2 sonde à 5 trous - repérage des trous

Sonde de pression anémoclinométrique 1 1 4 2 2 5 3 vue de face 3 vue de côté sonde à 5 trous - repérage des trous

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

Sonde de pression anémoclinométrique tuyère rotation rotation rotation banc d'étalonnage de sondes multi trous

Sonde de pression anémoclinométrique banc d'étalonnage de sondes multi-trou

Sonde de pression anémoclinométrique diamètre : 1,5 mm macrophotographie d'un embout de sonde à 5 trous

Sonde de pression anémoclinométrique diamètre : 1,5 mm macrophotographie d'un embout de sonde à 7 trous

Sonde de pression anémoclinométrique diamètre : 1,5 mm macrophotographie d'un embout de sonde à 7 trous

Sonde de pression anémoclinométrique diamètre : 1,5 mm macrophotographie d'un embout de sonde à 7 trous

Sonde de pression anémoclinométrique sonde à 7 trous avec son support

Sonde de pression anémoclinométrique tubes pour la mesure des pressions sonde à 7 trous avec son support

Peigne de sondes de pression

Sonde anémométrique à fil chaud document Dantec

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

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

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

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

Sonde anémométrique à fil chaud Le fil est étalonné dans un écoulement de vitesse connue tension (V) 2.340 E1 v.u 2.218 E1 (v) 2.096 1.975 1.853 1.731 4.076 11.12 18.17 25.22 32.27 39.32 vitesse U velocity (m/s) courbe d'étalonnage d'un fil chaud

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

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

Sonde anémométrique à fil chaud document Dantec Sondes à deux fils pour la mesure de deux composantes de la vitesse

Sonde anémométrique à fil chaud z 3 35 x 55 Probe stem 1 35 45 document Dantec 2 document Dantec sonde tri-axiale pour les mesures en tridimensionnel

Sonde anémométrique à fil chaud alimentation conditionnement amplification acquisition, traitement soufflerie d'étalonnage document Dantec chaîne fil chaud typique

Partie 3 Mesures dans le champ Méthodes optiques non-intrusives Avec ensemencement par des particules

Vélocimétrie laser à franges

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

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

Vélocimétrie laser à franges réseau de franges à l'intersection de deux faisceaux laser

Vélocimétrie laser à franges scintillement d'une particule passant par une frange brillante

Vélocimétrie laser à franges scintillement d'une particule traversant le réseau de franges

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

Vélocimétrie laser à franges signal issu du photo-multiplicateur

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

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

Vélocimétrie laser à franges 0 burst non filtré Amplitude du signal (V) -0.1-0.2-0.3-0.4-0.5 burst filtré temps en µs mesure de la fréquence

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)

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

Vélocimétrie laser à franges pour 2 composantes création de deux réseaux de franges de couleurs différentes

Vélocimétrie laser à franges pour 2 composantes télescope photomultiplicateurs partie réception : séparation des couleurs bleu et verte

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

Vélocimétrie laser à franges laser bleu+vert laser violet séparateur de couleurs pour trois composantes

Vélocimétrie laser à franges faisceaux laser d'un système à trois composantes

Vélocimétrie laser à franges. Système à 3 composantes banc émission et système de déplacement

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

Vélocimétrie laser à franges banc en diffusion avant autour d'une soufflerie

Vélocimétrie laser à franges Histo 200 Population = 10240 particu Moyenne = 16.8 m/s Ecart-type moyenne = : 1.81 16,8 m/s m/s Asymétrie = 0.106 Aplatissement écart type : = 1,81 6.96 m/s 150 population : 10241 part. rticules U (m/s) histogramme de vitesse en écoulement turbulent

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

Vélocimétrie Doppler globale ou Doppler Global Velocimetry (DGV)

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

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

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

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

Vélocimétrie Doppler globale ou DGV

Vélocimétrie Doppler globale ou DGV ensemble réception d'un banc DGV

Particle Image Velocimetry (PIV) ou Vélocimétrie par image de particules

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

Particle Image Velocimetry (PIV) nappe laser nappe laser image laser laser ensemencement ensemencement traitement caméra camera PC

Particle Image Velocimetry (PIV) image des particules dans la nappe laser

Particle Image Velocimetry (PIV) 125 100 Z(mm) 75 50 25 0 400 450 500 550 600 X(mm) champ des vecteurs vitesse après traitement

Particle Image Velocimetry (PIV) 125 100 Z(mm) 75 50 25 0 400 450 500 550 600 X(mm) lignes de courant associées

MÉTHODES DE MESURE EN AÉRODYNAMIQUE Fin de la partie 4 Mesures dans le champ L'aventure continue dans la prochaine partie