Master 2 de Dynamique des Fluides et Energétique 2014-2015 Techniques Expérimentales Avancés en Mécanique des Fluides Vélocimétrie par Images de Particules (PIV) Frédéric MOISY Université Paris-Sud Laboratoire FAST Bâtiment 502 91405 Orsay 1
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http://www.sandia.gov3
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5 http://www.physics.auburn.edu/~plasma/basic/dusty/images/sm_dpx_piv.jpg
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http://www.cheng.cam.ac.uk/research/groups/polymer/ofm/ 8
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Turbulence en rotation Collaboration FAST Coriolis (Grenoble) - 2005 11
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
2.1 - Ensemencement : billes de verres creuses 13
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 2 0.8 µm 2.6 g/cm 3 5 µs 14
2.2 - Optique pour nappe laser Réfraction par une lentille cylindrique www.awi-industries.com 15
Optique pour nappe laser Réglage épaisseur 16
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Visualisation (caméra) Agrandissement : M = y / Y = image/objet (< 1) 18
Profondeur de champ Application Micro-PIV 19
Limite de diffraction Tâche d Airy 2.44 /D 20
Erreurs de perspective 21
Lasers Lasers continus Puissance typique : 0.5 5 W (5-50 keuros) (1 W donne 30 mj par image à 30 images/s) Lasers pulsés Durée pulse : 10 100 ns Energie par pulse : - expé. Eau : 10 100 mj (20-30 keuros) - expé Air : 50 500 mj (80-100 keuros) Fréquences : - Basse cadence (10-30 Hz) - Haute cadence (1 10 khz) 22
Laser pulsé double-cavité 23
2.3 - Caméras pour PIV Caméras standards Caméra double-frame Caméras rapides (RAM interne) Capteur CCD 8 10 bits CCD 10 14 bits CMOS 12-12 bits (256 à 1024 n.g.) (1024 à 16384 n.g.) Résolution 800 x 600 1200 x 1000 15-50 Hz 1000 2 2000 2 2x4 à 2x15 Hz 1000 2 0.5 à 5 khz Prix 1 ke 5 20 ke 20-60 ke 24
Capteurs CCD Résolutions : 640x480 à 2048x2048 25
2.4 Synchronisation : système double-frame T = 1 / f Aq Caméra Laser 1 t t t Laser 2 26
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3. Cross-correlation 32
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Problème de discrétisation : peak-locking 34
Problème de discrétisation : peak-locking 35
Taille optimale des particules 36
Densité minimale des particules 37
Image «optimale» 38
Post-traitement Supression/ Remplacement Vecteurs aberrants Lissage 39
PIV : Logiciels commerciaux (Système d acquisition + traitement images) PIV : Logiciels libres (Traitement images seul) 40
Inhomogénéités de vitesse (e.g. cisaillement) 41
Déformations de fenêtres 42
4 - PIV stéréoscopique (3C2D) 43
Master 2 "Dynamique des Fluides et Energétique" http://www.dlr.de/as/portaldata/5/resources/images/abteilungen/abt_ev/artikel/piv_img3_m.jpg - Cours de 44
PIV stéréo : principe 45
Focalisation : condition de Scheimpflug 46
Calibration pour PIV stereo 47
PIV stéréo double-plan Lavision 48
PIV multiplan (3D2C) 49
PIV multiplan stéréo par balayage rapide 50
PIV tomographique (3C3D) 51
PIV tomographique : Corrélations volumiques 52
Schlieren (Ombroscopie) Variations de densité Induites par température Variations de densité Induites par effets de compressibilité 53
«Synthetic» ou «Background-Oriented» Schlieren 54
Motif de points aléatoires 55
Background-Oriented Schlieren : flamme à 1500 C H Richard and M Raffel, Exp. Fluids (2001) 56
Background-Oriented Schlieren : Eurocopter BK117 H Richard and M Raffel, Exp. Fluids (2001) 57
Sillages : mesures couplées BOS - PIV 58
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
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