vélocimétrie par images de particules (piv)moisy/teaching/teamf_piv_slides.pdf · master 2...
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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
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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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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49
PIV multiplan (3D2C)
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PIV multiplan stéréo par balayage rapide
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51
PIV tomographique (3C3D)
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52
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
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)
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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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