Outils de mesure et de calcul spécifiques


Outils expérimentaux

 

Stéréo et Surface libre

G. GOMIT (postdoc), L. Chatellier, L. Thomas, L. David

Que ce soit dans l’objectif de mesurer les trois composantes de la vitesse d’un écoulement ou le relief d’une surface libre, les techniques de mesures bidimensionnelles, ponctuelles, intrusives sont mises en défaut lors de l’analyse d’écoulements environnementaux qui sont par nature tridimensionnels. Cette volonté et cette nécessité de déterminer les trois composantes de la vitesse d’un écoulement ou le champ de vagues d’une surface libre ont conduit à la mise au point de nombreuses techniques de mesures optiques, non intrusives, basées sur le principe de la stéréoscopie. Cette dernière comprend l’ensemble des méthodes permettant d’obtenir une impression de relief en utilisant au moins deux images d’une même scène prises avec deux caméras. Il s’agit de tenter d’imiter la vision binoculaire de l’Homme afin de déterminer la position d’un objet dans l’espace à partir d’au moins deux vues bidimensionnelles. Cette reproduction de l’appareil visuel passe par une modélisation de celui ci qui se décompose selon trois étapes principales : segmentation, reconstruction et reconnaissance. La segmentation permet d’extraire des images des éléments caractéristiques de la scène observée. La reconstruction consiste à déterminer l’information tridimensionnelle à partir des informations bidimensionnelles issues de chaque caméra et nécessite au préalable une calibration des caméras composant le système stéréoscopique.

 

 

Tomo-PIV et PIV à balayage

R. Ben Salah (docteur en 2015), G. Acher (doctorant), L. Thomas, B. Tremblais (Xlim), L. David

Des techniques de mesure des trois composantes de la vitesse dans un volume sont développées dans l'équipe. En particulier, deux méthodes sont actuellement utilisées: la PIV à balayage et la tomo-PIV. Les deux méthodes ont pour but d'obtenir deux volumes de particules séparés par un petit intervalle de temps, ce qui permet d'obtenir des champs de vitesse par intercorrélation tridimensionnelle (extension de la PIV classique). La technique à balayage, utilisable pour des écoulements lents, utilise une caméra qui enregistre à haute cadence la lumière diffusée par des particules éclairées par une nappe laser fine qui balaye très rapidement le volume. La tomo-PIV utilise l'enregistrement du volume de particule éclairé par une nappe laser épaisse par plusieurs caméras simultanément, sous des angles de vue différents. Des techniques de reconstruction de volumes (MART, SMART, ...) permettent de reconstruire le volume de particules. Le principe est illustré sur la figure suivante:

 

Ce programme a bénéficié d’un soutien de l’ANR au travers d’un projet Vive3D, d’un financement via le fond Européen (FEDER) et se poursuit dans le cadre d’un projet FP7/AFDAR

Deux exemples de résultats sont donnés ci-dessous:

 


 

PLIF et VLIF

L. Thomas, L. David

Une technique de mesure de concentration a été développée au laboratoire en collaboration avec Camilo RINDT (TU/e Eidhoven). Elle permet de mesurer le champ de concentration dans un plan de l'écoulement en introduisant un traceur fluorescent dans l'écoulement étudié, éclairé par une nappe de lumière générée par un laser pulsé. La lumière réémise par le traceur est enregistré par une caméra. Les images obtenues sont traitées pour remonter au champ de concentration. Une technique de correction locale permet de s'affranchir des fluctuations spatio-temporelles de l'énergie du laser.

 

 

Une extension de cette technique a été développée pour obtenir un champ de concentration en 3D pour des écoulements relativement lents. Elle est basée sur le même principe, mais la nappe laser balaye très rapidement un volume de l'écoulement. Une caméra rapide est alors utilisée pour enregistrer les images à haute cadence. Si la vitesse de balayage est grande devant les vitesses au sein de l'écoulement, le fluide peut être considéré comme gelé durant l'acquisition d'un volume.

Mesure du champ de concentration par VLIF: iso-surface de concentration pour un jet pulsé en écoulement transverse (Re=500, R=1, f=0,25Hz). A gauche, vue de 3/4 avant, au centre, vue de dessous, à droite, vue de 3/4 arrière.

 

Outils numériques

Méthodes Particulaires

S. Huberson, A. Beaudoin

Pour simuler les écoulements à surface libre ou le transport dans les écoulements naturels, nous développons nos outils numériques propres. Nous utilisons des méthodes de discrétisation particulaires lagrangiennes qui sont bien adaptées au transport puisqu'elles sont inconditionnellement stables sans être dissipatives et qu'elles s'accomodent sans probleme de discontinuites. Trois types d'outils sont disponibles: pour les écoulements autour d'éléments porteurs, notamment des éoliennes ou des hydroliennes, nous disposons des modèles bi et tri-dimensionnels combinant équations intégrales de frontière pour les surfaces solides et sillage discrétisé en particules tourbillonnaires pour le transport, des méthodes particulaires dans lesquelles les quantités transportées sont représentées par une fonction pouvant dépendre de paramètre locaux représentant par exemple la granulomètrie dans le cas de transport de particules solides, ou encore les propriétés de la turbulence de l'écoulement porteur, pour les écoulements à surface libre, nous disposns d'une méthode de type Smooth Particle Hydrodynamic (SPH) basée sur l'approche particule maillage et dans laquelle les parties elliptiques des équations (vitesse et pression) sont calculées par une méthode combinée équations intégrales de frontière et particules.

 

Standard Library of Image Processing (http://sliplib.free.fr)

La Bibliothèque de traitement d'images (Standard Library of Image Processing) est une nouvelle librairie de traitement d’images. Elle a été développée dans le cadre d’une Action Concertée Individuelle de l’Université de Poitiers entre le laboratoire XLIM-SIC et l’institut Pprime. Cette action a bénéficié du soutien du Conseil Général et la région Poitou Charentes dans le cadre du 13ème CPER.

La Bibliothèque est écrite en C++ suivant au plus près le standard ISO/ANSI C++ de la STL. Elle est par conséquence compatible avec tous les systèmes et portable sur les systèmes Unix/Windows/MacOSX). Elle utilise le paradigme de programmation générique (Generic Programming) : des structures de données génériques (entier, flottant...), différents moyens de parcourir les données (itérateurs), des algorithmes génériques pour traiter les données. Son utilisation est très performante et relativement simple (quasi matlab).

 

Outils de post-traitement

Pression et efforts

L. Chatellier, F. Pons, B. Tremblais (Xlim), L. David

Dans l'objectif de pouvoir évaluer les efforts aérodynamiques subis par un corps immergé dans un écoulement tridimensionnel de manière non intrusive, une forme intégrale de l'équation de bilan de quantité de mouvement appliquée sur un volume de contrôle autour du profil est utilisé. Le calcul des efforts fait intervenir les dérivées spatiales et temporelle de la vitesse, déduites directement des champs de vitesse, et un terme de pression nécessitant la connaissance du champ de pression sur la surface du volume de contrôle associé aux intégrales. Le champ de gradient de pression est calculé à partir des champs de vitesse avec les équations de Navier Stokes, et intégré au moyen d'un algorithme itératif permettant l'obtention du champ de pression relative sur la surface de volume. Le calcul du champ de pression relatif peut de cette manière être étendu à l'ensemble du domaine ou les champs de vitesse sont connus, permettant l'évaluation de champs de pression à partir de données issus de mesures optiques telle que la PIV. Les algorithmes de calcul d'efforts et de pression sont validés sur des résultats issus de données numériques, permettant la comparaison des efforts et champs de pression déterminés à partir des champs de vitesse à ceux issus de la simulation numérique. La corrélation des champs de vitesse mesurés et des efforts et champs de pression calculés permet alors une compréhension détaillée de l'influence des structures tourbillonnaires sur la génération d'efforts subis par le corps immergé. Volume de contrôle utilisé pour la forme intégrale de l'équation de bilan de quantité de mouvement à gauche (le profil est exclu du volume), et champ de pression relative issu de l'intégration du gradient de pression sur la surface de contrôle à droite.

 

 

Structures cohérentes

L. Thomas

On s'intéresse à la détection et à l'identification des structures cohérentes eulériennes et lagrangiennes. Une formulation pour obtenir le critère Q de façon plus robuste a été obtenue. Les structures cohérentes lagrangiennes ont pour l'instant été étudiées via les champs de FTLE (Exposants de Lyapunov à Temps Fini). D'autres développements sont en cours.

Champ de FTLE instationnaire pour un écoulement analytique de double gyre. En rouge, on observe les zones de forte instabilité des trajectoires.

 








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