Bibliographie & annexes
Présentation
RÉSUMÉ
Les mesures de caractéristiques d’écoulement par imagerie numérique simplifient l’opération de quantification de la lumière enregistrée. Après une première section consacrée à la dynamique des traceurs dans un écoulement, la vélocimétrie par images de particules (PIV) est abordée : principe, composants, etc. Par la suite, la stéréo-vélocimétrie par images de particules (SPIV) est à son tour détaillée, au travers de la reconstruction des trois composantes de la vitesse, ou encore de la configuration de prises de vues. Pour terminer, l’holographie numérique est abordée, grâce aux principes de l’holographie numérique de particules, aux algorithmes de traitement, etc. D’autres mesures dans un écoulement par tomographie laser viennent conclure cet article.
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Measurements of flow characteristics via digital imaging simplify the quantification process of recorded light. After the initial part dedicated to the dynamics of tracers in a flow, particle image velocimetry (PIV) is dealt with: principle, components etc. Stereo particle image velocimetry (SPIV) is then detailed via the reconstruction of the three components of velocity or the configuration of recorded images. To conclude, digital holography is dealt with, via the principles of particle digital holography, processing algorithms, etc. Other measurements in a flow using laser tomography conclude this article.
Auteur(s)
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Jean-Paul SCHON : Professeur à l’université Jean-Monnet de Saint-Étienne
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Thierry FOURNEL : Professeur à l’université Jean-Monnet
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Corinne FOURNIER : Maître de Conférences à l’Université Jean Monnet - Institut supérieur des Techniques Avancées de Saint Étienne
INTRODUCTION
Alors que la quantification de la lumière enregistrée, liée au noircissement des films ou des plaques photographiques, était très délicate, l’avènement de l’imagerie numérique a simplifié cette opération. Chaque photosite ou pixel du capteur matriciel associe un niveau de gris (généralement compris entre 0 et 255) fonction de l’éclairement reçu. La matrice ainsi formée est propice au traitement numérique des images. Bien qu’il existe déjà quelques applications utilisant la couleur, nous nous limitons dans ce dossier au cas des images noir et blanc. Notons cependant que la facilité d’utilisation de ces images ne doit pas faire oublier les défauts introduits par l’optique de prise de vue (aberrations géométriques, vignetage, etc.), la non-linéarité de la réponse des capteurs et la variation de cette réponse en fonction de la longueur d’onde de la lumière captée. Les capteurs actuels sont relativement stables dans le temps et la température influe surtout sur le bruit. Bien entendu, les images argentiques peuvent être numérisées et traitées comme les images directement numérisées au moment de l’acquisition.
Nous nous limitons dans ce dossier à des techniques de visualisation faisant intervenir le traitement d’images, en laissant de côté des techniques plus classiques comme la strioscopie et l’ombroscopie traitée dans le dossier Visualisations et mesures optiques en aérodynamique [5] ou dans la monographie de Mertzkirch [6]. Les techniques exposées sont la vélocimétrie par images de particules, l’holographie numérique et les visualisations quantitatives de caractéristiques globales d’écoulement. Dans ces techniques, les visualisations impliquent donc forcément la présence de particules dans l’écoulement, particules qui diffusent la lumière, diffusion qui permet de remonter à la mesure de certaines caractéristiques de l’écoulement. Les techniques locales ponctuelles utilisant elles aussi la diffusion de la lumière comme l’anémométrie laser doppler sont elles aussi hors du champ de cette étude.
Il se pose à la base le problème suivant : dans quelle mesure la vitesse des particules est elle confondue avec la vitesse de l’écoulement ? C’est un problème intrinsèquement complexe qui mérite d’être examiné dans chaque cas. Nous donnons quelques éléments permettant d’évaluer l’importance de ce problème.
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Holographie numérique3. Stéréo-vélocimétrie par images de particules SPIV
SPIV : Stereo Particle Image Velocimetry
L’utilisation des techniques PIV en configuration stéréoscopique (techniques SPIV) permet d’accéder à la mesure de la composante W de la vitesse normale au plan de référence (le plan médian de la nappe laser, souvent appelé plan laser).
Un exemple de mesure par stéréoPIV (SPIV) des trois composantes du champ de vitesse dans un plan d’écoulement est donné sur la figure 7. La chronophotographie du volume mince d’étude est réalisée de façon synchrone aux instants t et t + Δt selon des points de vue distincts. Les traitements PIV des paires d’images fournissent dans le plan de référence autant de projections de la vitesse qu’il y a de points de vue. Connaissant le délai Δt, la mesure dense de ces projections permet de reconstruire le champ tridimensionnel de vitesse U dans le plan de référence : on dit souvent de la technique SPIV qu’il s’agit d’une technique de mesure 2D-3C (mesures 2 Dimensions des 3 Composantes dans le plan laser sous différentes incidences). Vis-à-vis de la stéréoscopie classique, la mise en correspondance est simplifiée du fait de la faible épaisseur du volume d’étude (physiquement limitée par la largeur de la nappe laser, souvent inférieure au millimètre) : le lieu dans l’image droite des points homologues à un point donné dans l’image gauche (segment épipolaire) est très court.
La SPIV s’est imposée à la fin des années 1980 comme un moyen de correction des erreurs de parallaxe (qui apparaissent en cas de déplacements hors plan) et de mesures des trois composantes utiles au calcul de champs dérivés comme le champ de vorticité [18]. Le champ de gradients de vitesses peut aujourd’hui être mesuré en utilisant un deuxième système stéréoPIV associé à une deuxième nappe laser légèrement décalée [19]...
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Stéréo-vélocimétrie par images de particules SPIV
BIBLIOGRAPHIE
-
(1) - DE VINCI (L.) - Dessins reproduits dans Frisch (U) Turbulence ; the Legacy of A.N. Kolmogorov - . Cambridge University Press (1995).
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(2) - MAREY (E.J.) - Documents de la cinémathèque française - (1901).
-
(3) - MACH (E.), WELTRUBSKY (J.von) - Uber die Formen der Funkenwellen - . Sitzungsber.Kaiserl. Akad. Wiss Wien, Naturwiss. Kl. Abt. 1 78, 551-560 (1878).
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(4) - MACH (L.) - Uber einen interferenz-Refraktor Z - . Instrumentenkd 12 89-93 (1892).
-
(5) - BOUTIER (A.), ROYER (H.) - Visualisations et mesures optiques en aérodynamique - . Techniques de l’Ingénieur, Mesures physiques, Visualisations et mesures optiques en aérodynamique, pp. R2160.1-R2160.26 (1998).
-
(6) - MERTZKIRCH (W.) - Flow Visualization - . Academic press (1987).
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...
NORMES
-
Les lasers : risques et moyens de préventions - ND 2093 -
-
Équipement de protection contre les lasers - ND 2075 -
-
Point des connaissances sur les lasers - ED 5009 -
1 Constructeurs – Fournisseurs – Distributeurs
(liste non exhaustive)
Coherent http://www.coherent.com/
Dantec http://www.dantecdynamics.com/
Excel laser http://www.laserexcel.com/
Europulse http://www.euro-pulse.com/index_fr.htm
Es-France E2vtechnologies http://www.es-france.com/
Flir http://www.flir.fr/thermographie/cameras-flir.php
hamamatsu http://www.hamamatsu.com/
Jobin Horiba Yvon http://www.jobinyvon.fr/
La vision http://www.lavision.de/index.php
Laser 2000 http://www.laser2000.fr/
Lot Oriel http://www.lot-oriel.com/site/pages_fr_fr/home/home/home.php
Lyncée tec http://www.lynceetec.com
Optoprim http://www.optoprim.com/
Oxford laser http://www.oxfordlasers.com/
Photonlines http://www.photolines.fr/
Quantel http://www.quantel.fr/
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