Méthodes expérimentales

Les méthodes de mesure de vitesse utilisées sont proches dans leur principe, de celles mises en œuvre dans les écoulements subsoniques. Elles doivent toutefois être adaptées au cas des écoulements à haute vitesse. Une contrainte forte dans le cas d’écoulements supersoniques résulte de l’existence de brusques variations spatiales de vitesse. Assurer un bon suivi de l’écoulement implique d’utiliser des particules ayant peu d’inertie, typiquement microniques ou submicroniques. Une bonne maîtrise et un contrôle de l’ensemencement est donc nécessaire. Il est par ailleurs souvent assez difficile d’obtenir un grand nombre de particules sans perturber les écoulements : on se trouve le plus souvent dans le cas d’ensemencement rare. Ces techniques ont cependant pu être appliquées avec succès : la détermination de spectres de fréquence à partir de mesures par vélocimétrie laser Doppler et PIV appliquées aux écoulements supersoniques.

Ecoulement autour d’un obstacle triangulaire placé à la paroi (Me=2,3). Les points blancs sont les particules d’ense-mencement qui permettent de visualiser les tourbillons de couche limite. On voit que dans ce cas, le décollement aval est très peu ensemencé .Les flèches bleues représentent le vecteur vitesse moyenne.

Lignes de courant moyennes dans un tourbillon trombe détecté dans le décol-lement d’une interaction choc/couche limite. X est la direction longitudinale, y la direction perpendiculaire à la paroi, z l’envergure. On voit que de tels tourbillons peuvent atteindre la moitié de l’épaisseur de la couche, et contribuent à la tridimensionnalité des interactions.

Le deuxième exemple est celui de la PIV (Particle Image Velocimetry) appliquée aux écoulements supersoniques, en présence de forts gradients de vitesse, de l’ordre de plusieurs centaine de m/s sur seulement quelques millimètres ! Les techniques de PIV classique ou stéréoscopiques ont pu être appliquées avec succès sur la plupart des écoulements étudiés au sein du groupe. Cela permet d’avoir accès à l’organisation spatiale des écoulements, et d’en déduire leur caractéristiques. Néanmoins, à l’inverse de nombreuses applications subsoniques, les informations temporelles ne sont pas directement accessibles par ces méthodes avec la technologie actuelle : les systèmes dits de « Time Resolved PIV », de plus en plus performants en atteignant des fréquences d’acquisition de l’ordre 20KHz, sacrifient la résolution spatiale des acquisitions au bénéfice de la fréquence d’acquisition. Sur les échelles qui nous intéressent, allant de la centaine de Hertz jusqu’à 50KHz, ces systèmes sont encore trop limités.

Pour palier ce problème, un système de dual-PIV a été développé au sein du groupe, en partenariat avec l’entreprise Dantec : Ce système consiste en deux systèmes PIV classiques, synchronisés entre eux, et analysant exactement le même écoulement. Il est alors possible de déclencher le deuxième système PIV à un intervalle de temps fixe après le premier, et donc d’obtenir statistiquement des informations spatio-temporelles sur l’écoulement.
Une méthode de reconstruction des spectres à partir de données issues de ce nouveau système a été développée et validée au moyen de bases de données numériques à haute résolution obtenues par des ‘Large-Eddy Simulations’ réalisées à l’IUSTI. Cela a permis d’obtenir expérimentalement, pour la première fois au niveau mondial, une cartographie spectrale multipoints de l’ensemble de l’interaction onde de choc couche limite turbulente. Les résultats ont été validés par comparaison avec les Large Eddy Simulations de l’interaction [Experiments in Fluids A.M. Schreyer, AIAAs A.M. Schreyer, T. Jiang].

D’autres méthodes sont de même utilisées afin d’obtenir des informations spatio-temporelles de l’écoulement. On pourra citer entre autres l‘Estimation Stochastique Lineaire (LSE), qui, a partir de mesures simultanées de pression ( mesures ponctuelles résolues en temps) et de champs de vitesses obtenus par PIV (mesures 2D non résolues en temps), permet d’estimer une séquence temporellement résolu de l’écoulement. Cette méthode, appliquée à l’interaction onde de choc couche limite turbulente, a permis de bien restituer les basses fréquences observées dans ces interactions. [ International Journal of Heat and Fluid Flow, S. Piponniau, E. Collin, P. Dupont, and J.F. Debiève 2012]

Vue de la veine S8 : on aperçoit le générateur de choc, fixé au plafond, un fil chaud monté sur une cane de déplacement, un insert sur le plancher dans lequel sont présents plusieurs capteurs de pression, et enfin, au second plan, les deux cameras du systèmes de DUAL PIV.