Mercredi 17 mars 1999
Responsable scientifique : Michel RIETHMULLER, VKI Belgique, email : Cette adresse e-mail est protégée contre les robots spammeurs. Vous devez activer le JavaScript pour la visualiser.
Quarante-sept personnes ont participé à cette journée centrée sur les aspects pratiques de la Vélocimétrie par Images de Particules. Huit exposés de synthèse ont été consacrés à la présentation des aspects techniques de la PIV et ont introduit des thèmes de discussion. Les huit interventions formelles sont les suivantes :
- Mise en œuvre pratique de la PIV (M. RIETHMULLER/ Institut von Karman, Belgique). Ce premier exposé avait pour but de rappeler les principes de base de la PIV et de présenter les aspects pratiques discutés lors de cette journée thématique afin d'offrir aux participants une introduction aux exposés suivants.
- Lasers utilisés pour la PIV, contraintes et caractéristiques (P. AUBOURG / Quantel France). Dans cette intervention, les caractéristiques principales des lasers Nd :YAG à impulsion ont été présentées. Les principes dirigeant la conception de ces lasers sont tout d'abord exposés. L'important problème de la recombinaison des deux lasers constituant un système destiné à la PIV est ensuite discuté. La sensibilité de la stabilité du pointé du laser est expliquée par rapport à ses divers éléments. Les précautions à prendre dans l'utilisation de ces lasers ainsi que leurs limitations par rapport à l'environnement sont largement commentées. Il est rappelé que ces dispositifs sont particulièrement sensibles aux dépôts de poussières ou de particules diverses provenant des dispositifs d'ensemencement. La qualité du faisceau constitue l'un des sujets les plus intéressants de cet exposé. En effet, les résultats d'une mesure PIV dépendent fortement de la qualité de l'image et donc du faisceau. Une information particulièrement intéressante est donnée à cette occasion : les optiques utilisées pour créer des feuillets lumineux (ou tranches laser) sont souvent inadéquates et tendent à augmenter les défauts d'alignement entre faisceaux. Il est donc très important de concevoir avec soin ces dispositifs souvent considérés comme accessoires. Lors de la discussion suivant cette intervention, l'important problème de la sécurité dans l'utilisation de lasers pulsés est évoqué. Il est rappelé combien il est nécessaire de mettre en œuvre toutes mesures de sécurité appropriées, notamment dans l'élimination des réflexions accidentelles.
- Spécificité des caméras et capteurs CCD utilisés pour la PIV (J-B RICHON / Optical Flow Systems). Cet exposé a permis d'apporter aux participants une meilleure connaissance des caméras CCD utilisées en PIV. Les contraintes spécifiques à la PIV ont tout d'abord été rappelées, notamment la résolution requise et le contrôle d'expositions multiples. La technologie des matrices de capteurs optiques a ensuite été présentée et les différences entre capteur CCD, CID et CMOS ont pu être expliquées. L'architecture des capteurs en terme de pixels a ensuite été traitée, introduisant en particulier le principe du registre de mémoire ainsi que les dispositifs de micro-lentilles qui seuls permettent d'avoir des zones sensibles quasi contiguës. Le fonctionnement même du capteur a été expliqué ensuite. Un aspect important de l'utilisation d'un capteur CCD est sa réponse spectrale et ce thème a été largement couvert. L'une des caractéristiques essentielles de la caméra de PIV est sa capacité à acquérir des images a des instants très proches. Cela pose le problème de la fréquence d'acquisition des images et surtout de la saisie de doublets espacés d'un temps qui doit pouvoir être inférieur à 1 ms. Une des limitations dans l'acquisition d'images est le bruit qui vient s'ajouter au signal utile. Ses origines et ses causes ont été expliquées avant de consacrer quelques minutes à une analyse des défauts rencontrés sur les capteurs. L'exposé s'est terminé sur une ébauche des perspectives d'évolution des capteurs avec les nouveaux capteurs haute résolution (2K X 2K) qui sont d'ores et déjà annoncés ainsi que les capteurs à bas niveau de bruit.
- Technique de poursuite (PTV) et application dans les écoulements diphasiques (L. ZIMMER / Institut von Karman Belgique) La Poursuite de particules ou PTV n'est pas une technique très connue. C'est exposé a eu pour but d'en présenter une application étendue à la mesure de dimension et de vitesse de gouttes. Il a débuté par un exposé du principe de la poursuite et des particularités de la méthode mise en œuvre par l'auteur. L'une des principales différences par rapport à la PIV est que chaque particule est détectée et ses contours sont identifiés. Il est ainsi possible d'en déterminer la dimension, même dans le cas de gouttes non sphériques. Pour la mesure de vitesse, un prédicteur est tout d'abord obtenu par un algorithme de PIV appliqué à de larges fenêtres de corrélations. Les paires d'images de gouttes sont ensuite identifiées et la vitesse est ainsi obtenue pour chaque goutte. La technique est validée à l'aide d'images de synthèses disponibles sur un site WEB japonais. Une application de cette technique à l'étude de sprays est décrite et l'on peut voir qu'un bon accord est obtenu entre des mesures faites à l'aide d'un PDA et cette méthode de PTVS, tant pour la dimension que pour la vitesse.
- Mesures de trois composantes de vitesse par PIV Stéréoscopique (A. LECERF / Coria Rouen) La PIV est au départ une technique bidimensionnelle de mesure de vitesses. Dans cet exposé, la mise en œuvre d'une technique stéréoscopique permettant la mesure des trois composantes de vitesse est présentée. Les méthodes classiques de stéréoscopie sont tout d'abord décrites. Dans l'application présente, une méthode de translation est choisie plutôt qu'une méthode angulaire. Deux caméras sont ainsi placées parallèlement l'une à l'autre plutôt que selon deux axes convergents. La zone observée par les deux caméras doit être la même et pour ce faire, on a habituellement recourt à un décalage de l'objectif. C'est ce que fait l'auteur qui présente les expériences de validation effectuées. Celles-ci ont permis de déterminer la précision de la mesure de la troisième composante. Selon le grossissement choisi, la sensibilité sur z est de 1,5 à 5 mm. Pour obtenir une précision relative suffisante, il faut que le déplacement selon z soit assez grand, d'où la nécessité d'avoir un feuillet lumineux suffisamment épais ou même deux nappes laser décalées. Deux applications de cette méthode de vélocimétrie tridimensionnelle sont présentées. La première est la mesure dans un jet avec rotation induite effectuée dans le cadre du programme Européen EUROPIV, la deuxième portant sur des mesures de flammes sphériques.
- Technique avancée de traitement des images PIV : progrès obtenus et perspectives (F. SCARANO / Institut von Karman Belgique) En PIV, le traitement numérique des images est l'une des étapes les plus importantes de la technique. C'est aussi dans ce domaine que des progrès constants sont réalisés. L'auteur de cet exposé présente l'évolution actuelle d'une méthode de traitement. La technique classique fait appel à des fenêtres de corrélation fixes qui imposent une relation rigide entre résolution temporelle et spatiale. L'auteur met en œuvre une technique de décalage itératif des fenêtres dans laquelle, à chaque pas, les fenêtres sont réduites en dimension. Bien que cette méthode améliore la qualité de mesure dans beaucoup de configurations, elle est encore mise en échec en présence de forte rotation ou de gradients de vitesse importants. L'auteur répond à ce problème par la mise en œuvre d'une technique de déformation itérative des fenêtres qui est appliquée en fonction des gradients locaux. Accessoirement, cette méthode conduit à un décalage sub-pixel des fenêtres qui permet d'atteindre des précisions plus élevées en éliminant presque complètement le blocage de pic. La technique est mise à l'épreuve sur des images synthétiques représentant une rotation rigide, une expansion sphérique et un tourbillon. Une application à la mesure du champ de vitesse dans un jet turbulent pariétal permet de constater la capacité de la technique à détecter des tourbillons de très petite dimension.
- Qualification d'une chaîne pour les petits déplacements (D. ALLANO/ Coria Rouen) Pour tous les utilisateurs de PIV, l'une des questions essentielles reste la précision de la mesure. Cet exposé est centré sur l'analyse des sources de bruit et l'estimation des erreurs. Après avoir rappelé les paramètres d'une chaîne de mesure PIV type et les différentes variantes rencontrées, l'auteur définit les erreurs en métrologie PIV. Il définit les notions de moyenne, d'écart entre moyenne et étalon qui constitue le biais ou erreur systématique et l'erreur quadratique moyenne souvent nommée RMS. Les ordres de grandeur du seuil (0.01- 0.1 px), de la sensibilité (0.1-1 px) et de la dynamique de la PIV sont ensuite évoquées. L'outil principal du traitement est la fonction de corrélation 2D. Celle-ci est décrite et les erreurs induites sont discutées. Une comparaison entre inter-corrélation et auto-corrélation est faite. La qualification de la chaîne complète de PIV est ensuite présentée en trois étapes. L'exposé se termine par une étude de la linéarité, du biais et de la dispersion des mesures ainsi que par une comparaison entre traitement classique et traitement itératif.
- PIV Résolue dans le temps (B. LECORDIER / Coria Rouen) La PIV de base ne contient aucune information temporelle permettant d'enregistrer la chronologie d'un écoulement. Plusieurs laboratoires ont développés des méthodes permettant d'étendre les capacités de la PIV à une résolution dans le temps. L'auteur présente le sujet en rappelant l'intérêt de telles mesures et en citant les conditions à remplir pour les réaliser. Les dispositifs matériels disponibles sont présentés et il apparaît que le maillon faible est le dispositif d'acquisition. Une mise en œuvre d'une mesure résolue dans le temps utilisant une caméra ciné à tambour associée à un laser à vapeur de cuivre est présentée. Les difficultés inhérentes à cette méthode ainsi que leur résolution sont ensuite discutées. Le principal problème est la numérisation des films qui demande des techniques permettant de corriger les erreurs de positionnement ou les déformations de la pellicule. Les solutions à ces problèmes sont décrites. Une application de cette méthode à l'étude de flammes de pré-mélange turbulent est présentée.
La journée thématique s'est terminée par une discussion de problèmes rencontrés par les participants.