Vélocimétrie laser - Définition

Vélocimétrie laser à franges

Ce vélocimètre fonctionne sur le principe des interférences.

On crée à l'aide d'un laser une figure d'interférence dans une zone bien précise.

Lorsqu'une particule du fluide traverse cette zone elle disperse la lumière lorsqu'elle se trouve sur une des franges. Elle va donc lorsqu'elle se déplace envoyer des impulsions de lumière en passant d'une frange à l'autre.

i est l’interfrange, la distance pendant laquelle la frange est brillante.

Ainsi, en considérant une particule traversant le réseau de franges à une vitesse u_p, sa fréquence de passage dans une frange brillante va être de :

f_d=u_p/i

f_d est donc la fréquence de la lumière diffusée par la particule. C’est elle que l’on va pouvoir mesurer. Comme on connaît i d’après notre montage, on peut en déduire u_p.

Le détecteur (Channel PhotoMultiplier ou photomultiplicateur) captera les très faibles quantités de lumières et les transformera une signal électronique analogique. Puisque l'intensité lumineuse n'est pas la même en fonction de la frange que traverse la particule on peut en déduire l'emplacement de celle-ci.

Mais on a avec cette méthode un repérage du mouvement dans une seule direction.

On peut additionner à cette méthode d'autres laser comme le VIP d'autres laser (différentes longueurs d'ondes). Ainsi on peut repérer d'autres vecteurs de direction des particules.

Sens de la vitesse

Ce mode de calcul ne permet pas de déterminer le sens de la vitesse de la particule car, à une fréquence donnée, correspond la même vitesse positive ou négative.

La détermination du signe de la vitesse se fait par défilement des franges d’interférence. Une particule immobile émettra un signal correspondant à la vitesse de défilement des franges et la vitesse d’une particule en mouvement s’ajoutera ou se retranchera à la vitesse de défilement. Il faut néanmoins vérifier que la vitesse turbulente soit toujours positive pour qu’il n’y ait pas d’ambiguïté sur sa valeur.

Vélocimétrie par Image de Particules (PIV)

La vélocimétrie par images de particules est l'une des plus importantes techniques utilisées pour déterminer le champ de vitesse d'un fluide.

Le principe est relativement simple.

On illumine une fine couche du fluide étudié par un rayonnement laser. Ainsi, lorsque les particules traversent cette zone, elles diffusent la lumière qui peut être récupérée par un capteur (généralement une caméra CCD).

Le traitement des images se fait aujourd'hui quasiment exclusivement à l'aide d'un ordinateur. Chaque image est divisée en petites zones (fenêtre dont la taille est typiquement de 16 × 16 ou 32 × 32 pixels). L'intercorrélation de deux fenêtres issues de deux images consécutives permet de déterminer le déplacement des particules situées dans cette zone. Le résultat de cette opération permet d'obtenir des cartes de vitesse instantanée donnant les deux composantes de la vitesse dans le plan éclairé par le laser.

L'utilisation de deux capteurs (CCD par exemple) regardant la même zone de fluide illuminée permet d'obtenir les 3 composantes de la vitesse dans l'espace. (principe de la stéréoscopie)

Différentes méthodes (PIV holographique, PIV tomoscopique) sont actuellement en développement. Elles visent à déterminer les composantes de la vitesse dans un volume.