Visualisation d'écoulement en mécanique des fluides

Domaines d’activités

La visualisation des écoulements

Ce nom générique, qui à l’origine désignait essentiellement l’observation des mouvements fluides, au sens où l’entendait Leonard de Vinci ou ses prestigieux descendants comme Reynolds, a connu des évolutions multiples. Passons rapidement sur l’introduction d’une analyse quantitative à partir des images puisque nos glorieux anciens cités ci-dessus l’avait déjà réalisée, sans laser ni caméra CCD, à travers des mesures de position, de vitesse moyenne voire même de nombres adimensionnels caractéristiques comme celui de Reynolds.   La mesure des paramètres d’un écoulement est un domaine varié où l’on peut distinguer:

  • les paramètres purement géométriques: position d’un tourbillon ou d’un décollement, amplitude de vibration d’une onde de choc…
  • les paramètres cinétiques et temporels: champs de vitesse essentiellement, mais aussi fréquences de phénomènes périodiques…
  • les paramètres thermodynamiques: pression et température.

L’investigation en milieu diphasique, souvent en présence de combustion, complique le jeu en introduisant d’autres paramètres à mesurer : concentration des deux phases, mesure des dimensions des gouttes, bulles et éléments solides entraînés par les écoulements, caractérisation des interfaces…le tout variable dans le temps. Le terme “visualisation” synthétise aujourd’hui tous ces domaines ; il est donc très éloigné de la simple signification “d’observation visuelle”.

Les domaines d’applications

 Les domaines “historiques”

Il y a quelques décennies, le domaine de prédilection de l’analyse optique des écoulements était le monde de l’aérodynamique et plus particulièrement celui de l’aéronautique et de l’espace. La première prise de conscience de l’importance de l’optimisation systématique des écoulements et des transferts de chaleur date de la période appelée “premier choc pétrolier”, cette période coïncidant avec le changement de nature des méthodes elles-mêmes. Les méthodes optiques portaient alors bien leur nom puisqu’elles étaient maîtrisées essentiellement par des opticiens de métier : l’apparition des tomographies, simples à installer, faciles à régler, se moquant de la qualité des fenêtres a changé la donne. Tous les domaines industriels mettant en œuvre des écoulements, isothermes ou non, ont alors été investis par les imageries qualitatives, puis très rapidement quantitatives : optimisation des véhicules terrestres, routiers et ferroviaires (aérodynamique interne et externe), systèmes de chauffage et de climatisation…

Les évolutions récentes

Sous la pression des problèmes énergétiques et environnementaux, les exemples d’évolution rapide liés aux progrès des méthodes d’investigation foisonnent. L’optimisation des combustions est le premier exemple. Allant du foyer de cheminée domestique aux injections de carburant dans les moteurs thermiques, elle a connu ces dernières années un développement spectaculaire : l’optique a joué un rôle prépondérant, faisant progresser et permettant la validation des modélisations. La mécanique des fluides active, indispensable pour le contrôle des écoulements, a pris également une place croissante dans le paysage. Complexe, donc réservée au départ aux applications aéronautiques, elle fait actuellement son apparition en aérodynamique automobile, toujours dans le but de réduire la traînée. Traditionnellement limité à la compétition automobile, le domaine du sport s’est également ouvert récemment à de nouvelles disciplines. Même si elles restent scientifiquement marginales, leurs retombées économiques ne sont pas négligeables : optimisation de balles de golf, de tennis, de combinaisons, de casques, et bien sûr de vélos, devenus de vrais objets aérodynamiques.

Thèmes

  • Techniques expérimentales
  • Traitement d’images
  • Ecoulements diphasiques, avec particules, impact
  • Contrôle des écoulements
  • Biomécanique des fluides
  • Jets libres, sillages
  • Couche limite, écoulements tournants, cavité
  • Combustion – Aérodynamique externe

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