Vélocimétrie par Images de Particules (PIV)

Master 2 de Dynamique des Fluides et Energétique
2014-2015
Techniques Expérimentales Avancés en Mécanique des Fluides
Vélocimétrie par Images
de Particules (PIV)
Frédéric MOISY
Université Paris-Sud
Laboratoire FAST
Bâtiment 502 – 91405 Orsay
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http://www.sandia.gov3

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http://www.physics.auburn.edu/~plasma/basic/dusty/images/sm_dpx_piv.jpg

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http://www.cheng.cam.ac.uk/research/groups/polymer/OFM/
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Turbulence en rotation
Collaboration FAST – Coriolis (Grenoble) - 2005
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Vélocimétrie par Images de Particules
PLAN
1. Introduction
2. 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
Diamètre Densité Tps réponse
Particules
pour l’eau
Billes de verre
creuses
Poudre
aluminium
10 µm 1.1 g/cm 3 0,5 µs
3 µm 2.7 g/cm 3 0,9 µs
Particules
pour l’air
Gouttes d’huile 1 µm 0.92 g/cm 3 0,3 µs
Billes SiO 2 0.8 µm 2.6 g/cm 3 5 µs
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2.2 - Optique pour nappe laser
Réfraction par une
lentille cylindrique
www.awi-industries.com
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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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Profondeur de champ
Application Micro-PIV
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Limite de diffraction
Tâche d’Airy
2.44 /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 image
à 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 8 – 10 bits
CCD 10 – 14 bits
CMOS 12-12 bits
(256 à 1024 n.g.)
(1024 à 16384 n.g.)
Résolution 800 x 600
1200 x 1000
15 - 50 Hz
1000 2
2000 2
2x4 à 2x15 Hz
1000 2
0.5 à 5 kHz
Prix 1 kE 5 – 20 kE 20-60 kE
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Capteurs CCD
Résolutions :
640x480 à 2048x2048
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2.4 – Synchronisation : système double-frame
T = 1 / f Aq
Caméra
Laser 1
t
t
t
Laser 2
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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/
Remplacement
Vecteurs
aberrants
Lissage
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PIV : Logiciels commerciaux
(Système d’acquisition + traitement images)
PIV : Logiciels libres
(Traitement images seul)
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Inhomogénéités de vitesse (e.g. cisaillement)
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Déformations de fenêtres
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4 - PIV stéréoscopique (3C2D)
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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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PIV stéréo double-plan
Lavision
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PIV multiplan (3D2C)
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PIV multiplan stéréo par balayage rapide
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50

PIV tomographique (3C3D)
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PIV tomographique : Corrélations volumiques
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Schlieren (Ombroscopie)
Variations de densité
Induites par température
Variations de densité
Induites 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
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Free-surface synthetic Schlieren (FS-SS)
Step 1: Images pair (I 0 , I 1 ) of
a refracted random dot pattern
Step 3: Reconstruced
topography h(x,y)
Digital
Image
Correlation
Step 2: displacement
field r (x, y)
-1
using a
least-square
inversion
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Moisy, Rabaud & Salsac,
Exp in Fluids (2009)
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Wave pattern induced by the impact of a drop (100 Hz)
h (mm)
1 µm capillary ripples detected on a 20x20 cm 2 field
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