Mise en oeuvre et validation de la velocimetrie Doppler globale en soufflerie

Abstract

Un système de Vélocimétrie Doppler Globale "3 composantes" est développé à l’ONERA. Cet instrument permet d’acquérir en quelques secondes des champs de vitesse moyenne dans un plan de l’écoulement ensemencé par des particules microniques, lequel est matérialisé par une nappe LASER. La technique DGV s’appuie sur le principe de l’effet Doppler qui permet de relier le décalage entre la fréquence de l’onde incidente à une cible en mouvement et celle du rayonnement qu’elle diffuse, à sa vitesse ainsi qu’aux conditions géométriques de visée. Pour estimer cet écart de fréquence, on observe la scène à l’aide de deux caméras. La première, dite de "référence", permet d’obtenir une image directe du champ observé. La deuxième, qualifiée de "signal", visualise ce même champ au travers d’une cuve remplie d’iode en phase gazeuse. Si l’on parvient à accorder et stabiliser la fréquence de l’onde émise par le LASER sur un des fronts montant ou descendant d’une raie d’absorption de l’iode, toute variation fréquentielle de l’onde qui pénètre dans la cuve se traduit par une absorption plus ou moins importante de cette lumière. Le rapport des intensités des deux images simultanées du champ conduit donc à une cartographie de transmission qui est représentative de la distribution des écarts de fréquences Doppler dans le plan de mesure. Un étalonnage géométrique permet de remonter aux composantes de la vitesse exprimées dans le repère soufflerie. Après une description du système développé à l'ONERA sur la base d’une source LASER continue de type Argon, nous évoquerons le potentiel de la technique DGV en nous référant à deux campagnes d'essais réalisées dans des souffleries de l'ONERA. La première expérience concerne la mesure des trois composantes de la vitesse moyenne dans le sillage d'un avion de transport civil monté dans la veine d'essais de la soufflerie F1. La seconde concerne la qualification du champ de vitesse trois composantes dans la région du tourbillon d'extrémité de voilure qui se développe dans le sillage d'un profil mis en incidence dans la soufflerie F2. Les mesures obtenues par la technique DGV ont été comparées à des résultats fournis par une sonde 5 trous (essais à F1) et par vélocimétrie LASER à franges (essais à F2). La grande qualité des ésultats obtenus rapidement par la technique DGV montre l'intérêt qu'elle doit susciter notamment dans le cadre d'un environnement industriel comme la soufflerie F1 de l'ONERA où l'on cherche à minimiser les temps de soufflage pour réduire les coûts de fonctionnement. La technique DGV se présente notamment comme la seule technique vélocimétrique globale qui à l'heure actuelle permette de visualiser en direct le champ de vitesse moyenne avec une bonne résolution spatiale, ce qui peut constituer une aide précieuse dans le cadre de la recherche d'une configuration aérodynamique spécifique.