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1 Master 2 Dynamique des Fluides et Energétique 2019-2020 Techniques Expérimentales Avancés en Mécanique des Fluides Vélocimétrie par Images de Particules (PIV) Frédéric MOISY Université Paris-Saclay Laboratoire FAST Bâtiment 530 – 91405 Orsay Master 2 "Dynamique des Fluides et Energétique" - Techniques Expérimentales Avancées, 2019-2020

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Master 2 Dynamique des Fluides et Energétique

2019-2020

Techniques Expérimentales Avancés en Mécanique des Fluides

Vélocimétrie par Images

de Particules (PIV)

Frédéric MOISY

Université Paris-SaclayLaboratoire FASTBâtiment 530 – 91405 Orsay

Master 2 "Dynamique des Fluides et Energétique" - Techniques Expérimentales Avancées, 2019-2020

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Les mesures de vitesse

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5http://www.sandia.gov

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6http://www.physics.auburn.edu/~plasma/basic/dusty/images/sm_dpx_piv.jpg

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7Master 2 "Dynamique des Fluides et Energétique" - Techniques Expérimentales Avancées, 2019-2020

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9http://www.cheng.cam.ac.uk/research/groups/polymer/OFM/

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Turbulence en rotationCollaboration FAST – Coriolis (Grenoble) - 2005

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Vélocimétrie par Images de Particules

PLAN1. Introduction2. Aspects matériels :

– 2.1 Particules– 2.2 Laser, optique– 2.3 Caméras– 2.4 Synchronisation

3. Aspects logiciels :– 3.1 Corrélation– 3.2 Algorithmes avancés (itératifs)– 3.3 Post-processing (filtrages)– Analyse

4. Développements récents– PIV stéréoscopique– PIV bi-plan– PIV 3D - tomographique

5. Synthetic Schlieren

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2.1 - Ensemencement : billes de verres creuses

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Ensemencement : choix de particules

Billes de verre creuses

10 µm 1.1 g/cm3 0,5 µs

Poudre aluminium

3 µm 2.7 g/cm3 0,9 µs

Gouttes d’huile 1 µm 0.92 g/cm3 0,3 µs

Billes SiO2 0.8 µm 2.6 g/cm3 5 µs

Particulespour l’eau

Particulespour l’air

Diamètre Densité Tps réponse

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2.2 - Optique pour nappe laser

www.awi-industries.com

Réfraction par unelentille cylindrique

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Optique pour nappe laser

Réglage épaisseur

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Visualisation

(caméra)

Agrandissement :M = y / Y= image/objet (< 1)

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Capteurs CCD

Résolutions :1000x1000 à ~ 5000x4000

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Profondeur de champ

Application Micro-PIV

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Limite de diffraction

Tâche d’Airy

2.44 λ/D

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Erreurs de perspective

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Lasers

Lasers continus

Puissance typique : 0.5 – 5 W (5-50 keuros)

(1 W donne 30 mJ par imageà 30 images/s)

Lasers pulsés

Durée pulse : 10 – 100 ns

Energie par pulse :- expé. Eau : 10 – 100 mJ (20-30 keuros)- expé Air : 50 – 500 mJ (80-100 keuros)

Fréquences :- Basse cadence (10-30 Hz)- Haute cadence (1 – 10 kHz)

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Laser pulsé double-cavité

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2.3 - Caméras pour PIV

Caméras standards Caméra double-frame Caméras rapides(RAM interne)

Capteur CCD 10 – 12 bits(1024 à 4096 n.g.)

CCD 12 – 14 bits(4096 à 16384 n.g.)

CMOS 12 bits

Résolution 10002

20002

20 - 100 Hz

10002

20002

2x4 à 2x30 Hz

10002

0.5 à 10 kHz

Prix 0.5-1 k€ 5 – 20 k€ 20-60 k€

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2.4 – Synchronisation : système double-frame

Caméra

tLaser 1

Laser 2

T = 1 / fAq

δt δt

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3. Cross-correlation

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Problème de discrétisation : “peak-locking”

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Problème de discrétisation : “peak-locking”

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Taille optimale des particules

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Densité minimale des particules

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Image « optimale »

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Post-traitement

Supression/RemplacementVecteursaberrants

Lissage

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Inhomogénéités de vitesse (e.g. cisaillement)

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Déformations de fenêtres

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PIV : Logiciels commerciaux

PIV : Logiciels libres

(Système d’acquisition + traitement images)

(Traitement images seul)

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4 - PIV stéréoscopique (3C2D)

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45http://www.dlr.de/as/PortalData/5/Resources/images/abteilungen/abt_ev/artikel/PIV_img3_m.jpg

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PIV stéréo : principe

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Focalisation : condition de Scheimpflug

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Calibration pour PIV stereo

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PIV multiplan (3D2C)

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PIV multiplan stéréo par balayage rapide

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PIV tomographique (3C3D)

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PIV tomographique : Corrélations volumiques

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Schlieren (Ombroscopie)

Variations de densitéInduites par température

Variations de densitéInduites par effets de compressibilité

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« Synthetic » ou « Background-Oriented » Schlieren

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Motif de points aléatoires

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Background-Oriented Schlieren : flamme à 1500 °C

H Richard and M Raffel,Exp. Fluids (2001)

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Background-Oriented Schlieren : Eurocopter BK117

H Richard and M Raffel,Exp. Fluids (2001)

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Sillages : mesures couplées BOS - PIV

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Free-surface synthetic Schlieren (FS-SS)

Step 1: Images pair (I0, I1) ofa refracted random dot pattern

Step 2: displacementfield δr (x, y)

Step 3: Reconstrucedtopography h(x,y)

DigitalImageCorrelation

∇-1 using aleast-squareinversion

Moisy, Rabaud & Salsac,Exp in Fluids (2009)

Master 2 "Dynamique des Fluides et Energétique" - Techniques Expérimentales Avancées, 2019-2020

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Wave pattern induced by the impact of a drop (100 Hz)

1 µm capillary ripples detected on a 20x20 cm2 field

h (m

m)

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