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Les journées thématiques de l'AFVL

JT13 - Mesures Optiques dans les écoulement à hautes vitesse

Jeudi 10 Avril 2003 - CNRS MEUDON

 

Responsable scientifique : Alain BOUTIER - ONERA

 

PROGRAMME DE LA JOURNÉE :

 

Résumé des points marquants par A. Boutier

La vélocimétrie laser (LDV) a permis de réaliser des mesures de vitesse dans des écoulements hypersoniques allant de 1 500 m/s jusqu'à 3 900 m/s. Pour réaliser de telles mesures, des particules de MgO mélangées à 1% d'aérosil R972 ont été utilisées pour minimiser le traînage ; le montage en diffusion avant est obligatoire et il faut concentrer plus de 2 W dans le volume de mesure. Il faut également optimiser le dispositif optique pour que le domaine de mesure du vélocimètre puisse prendre en compte toutes les données.
Des mesures de corrélations spatio-temporelles en deux points ont été effectuées dans des jets transsoniques et supersoniques allant jusqu'à Mach 3, avec des températures de 1 900 K ; les cadences d'acquisition de données atteignant près de 40 kHz, il a également été possible de déterminer les distributions spectrales d'énergie de la turbulence jusqu'à 25 kHz. Pour s'affranchir des problèmes de réfraction des faisceaux laser au travers de forts gradients de température, des corrections en temps réel du dispositif optique ont été mises en œuvre avec des motorisations, l'alignement optique étant contrôlé à distance par des caméras vidéo.

La PIV (Particle Image Velocimetry) a été appliquée avec succès dans plusieurs types d'écoulements supersoniques et hypersoniques. Dans des écoulements avec choc, le post-traitement des données a utilisé plusieurs types d'opérateurs (divergence moyenne, senseur de Ducros, rotationnel) afin de mettre en évidence les zones compressibles ; toutefois le filtrage fixe dans tout le champ n'est pas adapté (il faudrait développer des algorithmes utilisant un critère ± nσ) et le raffinement subpixel est insuffisant (boîte noire Dantec).
Dans un jet à Mach 2, ensemencé avec du TiO2, la PIV a fourni des mesures ayant une précision meilleure que 1%, les particules ayant une fréquence de réponse de 400 kHz (tp = 2,4 µs) ; la topologie d'un écoulement de culot ainsi que les distributions spatiales de turbulence et de vorticité ont pu être tracées.
Des mesures de PIV dans un jet libre à Mach 3,75 (V = 655 m/s) ont été obtenues en utilisant des particules d'huile de 0,4 µm issues d'un générateur de type Laskin nozzle muni d'un impacteur ; la réponse en fréquence des particules atteint 667 kHz (tp = 1,5 µs). La résolution spatiale a atteint 0,5 x 0,8 mm2 (taille des fenêtres finale, après déplacement et distorsion des fenêtres d'analyse : 16 x 24 pixels) ; si la vitesse mesurée en amont du choc induit une incertitude de 3% sur le nombre de Mach, en revanche juste en aval du choc la différence atteint 22,5% (traînage des particules). Il a été aussi mis en évidence une instabilité du chic sur 1 mm, qui induit une erreur au niveau du disque de Mach de l'ordre de 12%.
La PIV a également été appliquée dans un tube à choc à Mach 6 (1 800 m/s), avec un écoulement qui ne dure que quelques ms ; des mesures ont été effectuées autour d'un dièdre (choc attaché) et de sphères et cylindres (choc détaché). Le diamètre aérodynamique des particules a été estimé à 0,4 µm ; l'effet de traînage constaté au niveau du choc s'étale sur 2 mm environ, mais l'élargissement apparent du choc est aussi dû au logiciel de traitement d'image. La résolution spatiale obtenue avec le logiciel IDT est de 1 mm2 pour un champ de 90 x 110 mm2.

La DPV (Doppler Picture Velocimetry) consiste à éclairer une tranche d'écoulement par une nappe laser et à déterminer le décalage Doppler de la lumière diffusée avec un interféromètre de Michelson. Cette technique a été utilisée dans un tube à choc à Mach 4 (1 257 m/s, durée d'écoulement 2 ms). Trois images sont enregistrées : celle pendant la rafale, et pour la normalisation des données une image Doppler avant le tir et une image de référence en intensité ; dans sa version actuelle, le dispositif souffre de deux inconvénients : l'enregistrement initial des franges n'est pas stable et on n'a pas accès à la mesure absolue de vitesse. Dans un proche avenir, en enregistrant simultanément les trois images (grâce à une mire de référence éclairée en lumière diffuse) ces difficultés devraient être levées.

Des mesures de vitesse par DRASC (Diffusion Raman Anti-Stokes Cohérente) ont été présentées dans un écoulement à Mach 10 (1 450 m/s) : il s'agit d'une technique d'optique non linéaire de mélange à quatre ondes. Les raisons du développement de cette technique sont liées aux spécifications suivantes :

  • résolution spatiale inférieure au libre parcours moyen (0,1 mm) dans les écoulements à basse densité ;
  • mesures instantanées à haute cadence de répétition ;
  • détectivité suffisante ;
  • faible sensibilité au rayonnement parasite ;
  • pas d'ensemencement (éviter le traînage des particules).

Les mesures de température sont obtenues en envoyant une impulsion Stokes brève de 1 ns et une impulsion de pompe longue de 20 ns, et en mesurant le temps de décroissance de l'Anti-Stokes. Pour les mesures de vitesse, dans la phase d'excitation on crée un réseau de cohérence dans l'écoulement qui est ensuite lu. Les limitations d'emploi de cette technique sont les suivantes :

  • écoulement supersonique à basse pression (< 10 mbar) ;
  • complexité de l'appareillage et de sa mise en œuvre ;
  • faible cadence des mesures (quelques Hz).

Les extensions prévues concernent d'une part la mesure de la vitesse d'atomes d'oxygène dans des écoulements à haute enthalpie et, d'autre part, l'utilisation de la diffusion Brillouin cohérente pour les écoulements à plus haute pression.

Des mesures de vitesse ont été réalisées dans une soufflerie hypersonique à rafales brèves avec deux types de techniques : DLAS (spectroscopie d'absorption par diode laser) et FFE (Fluorescence excitée par Faisceau d'Electrons). La soufflerie hyperenthalpique F4 de l'ONERA au Fauga-Mauzac, à basse densité (1 mbar), a une durée de rafale de 200 ms et une vitesse d'écoulement qui atteint 4 000 m/s ; le rayonnement de l'écoulement est intense.
La DLAS donne accès à la vitesse et à la température de translation sur NO, CO ou CO2. Le faisceau laser émis par une diode laser fonctionnant dans l'infrarouge (N0 : 5 à 5,5 µm ; CO : 4,5 à 5 µm ; CO2 : 4 à 4,5 µm) traverse l'écoulement avant d'être recueilli sur un récepteur HgCdTe. La vitesse est déduite du décalage Doppler de la raie d'absorption, la densité de l'aire de cette raie et la température de la largeur de cette raie. Les valeurs obtenues résultent de l'intégration des données sur tout le trajet d'absorption ; la vitesse a une incertitude de 10%, les températures et densité de 30% ; la cadence d'acquisition atteint 10 kHz.
La FFE fournit vitesse, températures de vibration et de rotation sur N2, NO, CO ou CO2. La lumière diffusée par le faisceau d'électrons, émis par un canon à électrons et traversant l'écoulement, peut être analysée par divers moyens :

  • un spectromètre donne accès aux températures de vibration et de rotation de N2 ;
  • une caméra pulsée, en liaison avec un canon à électrons pulsé, donne la vitesse ;
  • un photomultiplicateur visible donne la densité partielle pour p < 1 mbar ;
  • un scintillateur X donne la densité totale pour p > 1 mbar ;
  • une caméra, en liaison avec un faisceau d'électrons balayant l'écoulement, donne une visualisation globale de l'écoulement (et permet dans le cas d'un faisceau d'électrons fixe d'effectuer des mesures quantitatives sur une ligne de points).

Plusieurs canons à électrons ont été développés :

  • filament chauffé (pression dans le canon inférieure à 10-3 Pa) : émission continue ou pulsée (> 100 ns) ;
  • émission secondaire (pression dans le canon de l'ordre de 4 Pa, longueur 120 mm) : émission continue ou pulsée (> 1 µs) ;
  • pseudo-spark (pression dans le canon de l'ordre de 4 Pa, longueur 10 mm) : émission d'impulsions de 60 ns.

Ce dernier canon est destiné à des mesures embarquées, mais a déjà permis d'obtenir des profils de vitesse en couche limite (en émettant à partir de la paroi d'une maquette) ou de mesurer un profil de vitesse à F4 (par déformation de la ligne marquée dans l'écoulement et mesure par temps de vol).