Techniques de mesure optiques

L’anémomètre laser Doppler, ou LDA, est une technique de métrologie optique ponctuelle se basant sur le principe de déphasage Doppler de la lumière pour mesurer la vitesse d’un écoulement ensemencés de particules, jouant le rôle d’un traceur  réfléchissant la lumière. Ce système bidimensionnel (LD 2D) est composé d’une lentille frontale (500 mm) de laquelle émergent deux couples de faisceaux laser fortement focalisés (90 mW), de longueurs d’ondes différentes (λ=632 et λ=532) et systématiquement émis dans deux plans perpendiculaires. La mesure consiste à connaître le temps que met une particule « traceur » pour traverser un volume de mesure de dimension (dx = 0.12 mm, dy = 0.12 mm and dz = 1.69 mm) formé par l’intersection des deux couples de faisceaux. Elle permet ainsi l’accès à deux composantes de la vitesse selon deux directions. Ce système LDA 2D (Fig.1) permet d’obtenir des mesures de vitesse à très haute résolution temporelle (0.016 – 37 kHz).

La Stéréo Vélocimétrie par Images de Particules (Stéréo-PIV ou SPIV) est une technique de mesure plane. Cette technique consiste à utiliser deux caméras à haute résolution (Flow Sens, Speed Sens, CX) avec un angle d’observation « angle de Scheimpflug » permettant la mesure  des trois composantes de vitesses de l’écoulement dans un plan laser(Litron Nd:YAG Nano L50-100 laser double Pulse : 60 mJ, 100 Hz, λ = 532 μm). Les images successives acquises sont subdivisées en petites fenêtres d’interrogation afin de déterminer le déplacement moyen des particules « traceur ». Des corrélations croisées (adaptative corrélation)  suivies de traitements via un algorithme (UODA) de détections des vecteurs erronés sont utilisés pour détecter ces déplacements avec précision. Dans un premier temps, les deux composantes de vitesse (in plane) sont calculées à partir de la différence de temps connu (temps de pulsation laser). La troisième composante de vitesse (out of plane) est déterminée par une procédure de calibration et de reconstruction de champs de vitesse. Des traitements d’images peuvent être effectués afin de corriger la distorsion des images engendrée par l’effet de perspective. Des champs instantanés et  moyens pour les différentes directions de vitesse sont ainsi obtenus

La fluorescence induite par laser (PLIF) : La méthode de fluorescence induite par laser repose sur l’ensemencement de l’écoulement par un fluorophore (molécule fluorescente), dont l’intensité locale de fluorescence sous excitation laser est enregistrée par une une plusieurs caméras. Au moyen d’une calibration préalable, il est alors possible de relier l’intensité de fluorescence mesurée à une grandeur scalaire de l’écoulement : concentration de fluorophore, température, pH … Cette méthode peut être appliquée ponctuellement (1D) ou dans un plan (2D). Couplée aux méthodes de vélocimétrie, la PLIF permet d’accéder aux flux de scalaire dans l’écoulement et de mieux comprendre les mécanismes de transfert et de mélange et leur intensification.

La méthode de Background Oriented Schlieren (BOS) : Le principe de la méthode BOS est de visualiser des écoulements présentant des gradients d’indice optique (liés à la température, la composition du fluide, la compressibilité…). Pour ce faire, la déformation apparente d’un objet de référence, causée par la déviation des rayons lumineux provenant de cet objet lorsqu’ils rencontrent des gradients d’indice optique, est observée au moyen d’une caméra. Des techniques d’analyse d’image (flot optique, corrélation croisée) permettent de mesurer les déplacements et en fonction de la géométrie de les relier aux gradients d’indice rencontrées voire à la température. L’avantage de la BOS est qu’elle permet une visualisation qualitative rapide des écoulements sans besoin de source laser, ni d’ensemencement. Des développements pédagogiques et bas budget ont également été proposés dans le cadre des projets SPINEL et SAFIRE.