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I.Introduction : L’expérimentation joue un rôle très important en mécanique des

I.Introduction : L’expérimentation joue un rôle très important en mécanique des fluides ; en effet, c’est elle qui permet d’établir des lois phénoménologiques, de valider les codes numériques, etc... Des techniques modernes de mesure de vitesse (de température, de pression) se sont donc développées telles que l’anémométrie Doppler, le traitement d’image. Parallèlement, l’importance de la visualisation des écoulements de fluides a été de plus en plus prise en compte avec le développement de nouvelles techniques : fluorescence induite par laser, traitement d’image. Il est en effet important de voir quelle est l’allure de l’écoulement, quelle est sa direction privilégiée, quelles sont les grosses structures, leur taille, leur stationnarité, leur stabilité, leur périodicité, etc... La connaissance de la vitesse d’écoulement dans un fluide est une information capitale pour de nombreuses études de rhéologie et de mécanique des fluides. En rhéologie ce sont les propriétés des fluides que l’on souhaite connaître en observant la déformation du fluide sous sollicitation ; elles constituent sa loi de comportement. En mécanique des fluides on cherche à caractériser la structure d’un écoulement, au sein d’une géométrie spécifique. II. Principes de la visualisation: La connaissance de la vitesse dans un domaine fluide est fondamentale pour caractériser un écoulement. Le vecteur vitesse présente trois composantes dans l’espace à trois dimensions, et dépend du temps. Sa mesure peut être réalisée à partir de plusieurs techniques fournissant tout ou partie de ces informations. Il est ainsi possible de classifier les renseignements fournis par ces techniques selon les critères suivants : mesure qualitative (lignes d’émission, décollements, …) ou quantitative. mesure de la composante moyenne ou mesure de la composante fluctuante au cours du temps.  mesure d’une composante, de deux composantes, ou de trois composantes de vitesse mesure ponctuelle, mesure globale.  mesure invasive (introduction d’une sonde dans le milieu sans modifier sensiblement l’écoulement) ou mesure non invasive (essentiellement optique). On peut donc citer les techniques de mesure de vitesse suivantes : Le tube de Pitot (une composante) et la sonde clinométrique à cinq trous (trois composantes) où la vitesse s’obtient à partir d’une différence de pressions (Pitot, 1732). La visualisation des lignes d’émission par émission de fumée convectée par l’écoulement (Marey, 1901). L’anémométrie fil / film chaud (une à trois composantes) où la mesure de la vitesse se déduit de transferts thermiques (King, 1914). La vélocimétrie laser Doppler (LDV), méthode optique où la grandeur mesurée est le décalage Doppler d’une lumière monochromatique (Yeh & Cummins, 1964, Rolfe & Huffaker, 1967). La vélocimétrie par images de particules, méthode optique qui est la technique la plus intuitive dans son principe puisqu’elle mesure le déplacement de particules pendant un intervalle de temps (Dudderar & Simpkins, 1977, Adrian, 1984). Son application pratique aux écoulements bénéficie des développements de l’informatique et des méthodes de traitement d’images). Pour les techniques optiques (visualisations, LDV, PIV), le choix des traceurs et leur moyen d’introduction dans l’écoulement sont prépondérants. En effet, l’ensemencement doit présenter les propriétés suivantes :  il doit suivre parfaitement l’écoulement sans le perturber.  il ne doit pas sédimenter.  il doit avoir de bonnes propriétés de réflexion de la lumière.  son introduction doit être uniforme dans tout le volume fluide d’étude.  l’encrassement des parois de la veine d’essais en cours d’expérience doit être résolu. On peut citer, parmi les méthodes qualitatives, l’ombroscopie, la strioscopie, l’interférométrie, qui mesurent respectivement la dérivée seconde, la dérivée première de l’indice de réfraction ou directement l’indice de réfraction du milieu. Ces méthodes sont particulièrement adaptées aux écoulements présentant des gradients de masse volumique (écoulements compressibles, combustion, …). Comme Méthodes expérimentales instationnaires et leurs applications en mécanique des fluides −Th. FAURE 28 Méthodes quantitatives, on peut mentionner la vélocimétrie Doppler globale (DGV) et l’holographie double exposition laser qui nécessitent souvent de lourds montages expérimentaux. L’évolution actuelle des capacités de stockage d’information, de traitement et de représentation spatiale des données conduit au développement de techniques de mesure tridimensionnelles et résolues en temps (vélocimétrie par images de particules tomographique résolue en temps, holographie cinématographique, …) qui relèvent encore du domaine de la recherche et d’applications limitées à certains types d’écoulements. III. Techniques de mesure des champs de vitesse de fluides en écoulement : III.1. La vélocimétrie laser : La vélocimétrie laser est une technique optique qui utilise de fines particules comme traceurs de l’écoulement pour déterminer les vitesses locales et leurs fluctuations. La mesure détermine les composantes du vecteur vitesse. Pour les écoulements unidimensionnels, une seule composante de la vitesse est mesurée (par exemple la composante de vitesse selon x est U = δx/δt). La mesure de la projection du vecteur vitesse dans un plan (mesure 2D) est intéressante dans le cas des écoulements bidimensionnels. Enfin, la détermination du vecteur vitesse instantanée (mesure 3D) est souvent utilisée pour les écoulements turbulents Les différents types de vélocimétrie laser peuvent se classer en trois catégories. Quand l’intervalle de temps entre les particules est contrôlé et que l’on mesure la distance les séparant entre deux instants on parle de Vélocimétrie par Images de Particules (PIV). Dans ce cas on peut obtenir directement une cartographie du champ des vitesses ce qui permet de visualiser en plus la structure de l’écoulement comme nous le verrons. La seconde catégorie est basée sur le concept d’effet Doppler. Les différentes techniques sont couramment appelées Vélocimétrie /Anémométrie Laser Doppler (LDV/LDA). Enfin, si la distance δx entre les particules est connue et que l’on mesure l’intervalle de temps δt, on parle de vélocimétrie à barrières optiques. Usuellement les termes de vélocimétrie à deux points (L2F) ou de vélocimétrie à temps de vol (LaserTransit Velocimetry/Anemometry ou LTV/LTA) sont plutôt employés. L’application de la vélocimétrie laser couvre de vastes domaines : en hydrodynamique avec une grande gamme de vitesse, aérodynamique (jusqu’au régime supersonique), dans les écoulements diphasiques voire polyphasiques (avec quelques difficultés), dans les turbomachines ou encore en combustion pour l’étude des flammes. La vélocimétrie laser Doppler : La LDV est de ce fait une technique utilisée considérablement dans les études sur les écoulements de fluides et constitue dans de nombreux cas, un moyen efficace d’investigation des écoulements turbulents et instationnaires, du fait de sa résolution spatiale et temporelle élevée. Son principe est basé sur le décalage de fréquence existant entre la fréquence de la lumière reçue par une particule de traceur qui est émise par une source lumineuse monochromatique et contenue dans un fluide en écoulement, f0, et la fréquence de la lumière diffusée par cette même particule en mouvement, f1. Cet effet est plus connu sous le nom d’effet Doppler. La fréquence de décalage Doppler fD est donnée par : fD = f1 - f0 = U.n/ λ0 (e1 – e0) U : le vecteur vitesse de la particule. e0 et e1 : sont respectivement le vecteur unitaire selon la direction de propagation du faisceau d’éclairage et le vecteur unitaire selon la direction d’observation n : l’indice de réfraction du milieu λ0 : la longueur d’onde de la source d’éclairage La technique de vélocimétrie à franges est en réalité la méthode la plus utilisée puisqu’elle permet de mesurer le vecteur vitesse instantanée de chaque particule. Son principe consiste à faire interférer deux faisceaux laser à l’endroit de l’écoulement où l’on désire faire la mesure. A l’intersection entre les deux faisceaux se crée un réseau de franges d’Young. Lorsque les particules ensemencées dans l’écoulement traversent le volume de mesure formé par les faisceaux, elles scintillent et la lumière qui est reçue par un photomultiplicateur (dont le flux est modulé par l’interférence) à la fréquence Doppler : fD = (2U/ λ) sin θ/2 Où λ est la longueur d’onde du laser et θ l’angle entre les deux faisceaux. Depuis 1992, une autre méthode a été développée. Il s’agit de la Vélocimétrie Doppler Globale(DGV). L’écoulement ensemencé en particules est illuminé par un plan laser. Le décalage de fréquence dû à l’effet Doppler est transformé en variations d’intensité, donnant ainsi accès aux vecteurs vitesses dans un plan. La vélocimétrie à deux points : Cette technique mesure le temps δt mis par une particule pour parcourir une distance δx connue et matérialisée par la géométrie des faisceaux laser au niveau du volume de mesure. Ce type de vélocimétrie permet des mesures d’une composante de vitesse avec un excellent rapport signal/bruit, ce qui les rend très efficaces dans les essais en turbomachines. Cependant, les mesures en écoulement turbulent s’avèrent difficiles. Sur le même principe de base, un dispositif réalisé sous forme de sonde et constitué de fibres optiques dans lesquelles est véhiculée la lumière laser, permet d’effectuer des mesures 3D de la vitesse dans des écoulements très turbulents. Cet appareil est connu sous le nom de vélocimètre mosaïque. III.2. La vélocimétrie Doppler à ultra-sons : Le principe de base de la mesure de vitesse par ultra-sons repose sur l’utilisation de l’effet Doppler. Un système permet de générer des impulsions ultrasonores de fréquence connue sur des particules contenues dans un fluide en écoulement puis reçoit la combinaison des échos rétrodiffusés par les particules à une fréquence décalée par l’effet Doppler. La mesure de la différence de fréquence uploads/Geographie/ ecoulement.pdf