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Investigations expérimentale et numérique d’un écoulement tridimensionnel dans une structure d’échangeur thermique pour le RFQ d’IPHI. François Launay, CNRS/IN2P3/IPNO Orsay, Thierry Faure, François Lusseyran, Pierre Gougat CNRS/LIMSI Orsay Résumé : Une méthode de mesure non intrusive pour déterminer les champs de vitesses d’un écoulement d’eau à travers une structure complexe d’échangeur de chaleur a été mise en œuvre sur une maquette à l’échelle 1. La vélocimétrie par image de particules (PIV), associée à un filtrage puis un traitement par flot optique et programmation dynamique a révélé de fortes variations de débits entre les tubes de l’échangeur et le caractère non établi de l’écoulement, prédites par les modèles numériques. L’analyse des champs instantanés confirme ce comportement. Les variations de vitesses à l’intérieur des tubes, calculées numériquement, sont en accord avec l’expérience. . 2 1 Maquette expérimentale Principe de la PIV 3 Mesures de Champ de vitesse moyen laser double impusion Débit d’entrée 12 l.min-1 images de particules t Ux m.s1 écoulement caméra écoulement t+dt ensemencé tube 1 tube 2 tube 3 tube 5 tube 6 tube 4 Forte variation de débit à travers les différents tubes 33,33 ms Dispositif expérimental tête d’émission laser YAG 30 mJ 532 nm caméra 8 bits 768 x 484 pixels image 1 CAMÉRA image 2 image 3 image 4 flash 1 flash 2 maquette de l’échangeur flash 1 sortie moteur de déplacement LASER flash 2 96 ns ns chariot de déplacement miroir plan dt Dt entrée Calcul du champ de vitesse p2 Problème : réfraction lumineuse aux deux interfaces dx p1 écoulement d’eau p1’ p4 plan de la nappe laser p3 tube en verre n2 air n1 p4’ p3’ image à l’instant t n3 p2’ Champ turbulent image à l’instant t+dt dt r a3 Débit d’entrée 12 l.min-1 R i b1 e b2 a2 dx V( x, t ) dt vitesse des particules : b1 Flot optique par programmation dynamique orthogonale (Quénot 1992) Algorithme issu du traitement de la parole (identification de signatures spectrales dans un sonogramme) Minimisation d’une distance locale entre les images Analyse de l’image par bandes et résolution par itérations orthogonales ra Corrections optiques n1 sin b1 n2 sin b2 Relations de Snell-Descartes: écoulement n2 sin a2 n3 sin a3 tube 1 bande 1 bande bande 2 Ri e sin b1 ra Relations d’optique géométrique u2x m2 .s2 tube 2 tube 3 tube 4 tube 5 tube 6 Valeur élevée dans le tube traversé par le plus fort débit 3 étape 1 étape 2 étape 4 étape 3 Débit d’entrée 12 l.min-1 • correction des positions radiales étape 5 étape 6 étape 7 • correction des déplacements 1 vecteur vitesse par pixel d’image ur2 m2 .s2 information 32 x 32 = 1024 fois plus dense que la PIV par intercorrélation (zones de fort gradient) écoulement Filtrage des images Sources de bruit : 4 1. dépôt de particules à la paroi tube 1 1 écoulement tube 5 tube 6 Fluctuation en entrée supérieure au niveau de turbulence aval 4 3. réflexions sur la surface intérieure du tube 4. bruit de fond de l’image 3 filtrage image moyenne tube 4 Valeur élevée dans le tube traversé par le plus fort débit 2. rayure sur la surfaces du tube image brute tube 2 tube 3 filtrage érosion-dilatation 2 Comparaison avec la simulation numérique Code I-DEAS : modèle longueur de mélange, loi de paroi filtrage images n et n+2 Intercorrélation Il n’y a pas de pic de déplacement en zéro après filtrage par image moyenne ou par soustraction des images n et n+2 intercorrélation à Dy = 0 histogramme (sommation en x) Tube 2 débit d’entrée 12 l.min-1 débit dans chaque tube. DistributionEvolution des dudébits entre les tubes image brute érosion-dilatation érosion soustraction images n et n+2 soustraction image moyenne mesures 6 simulation 5 débit d’entrée Dx (pixel) Dy (pixel) vitesse Uq (m.s-1) Uq (m/s) 4 Mesures 3 l/min -1 -1 Modèle G Mesures 6 l/min -1 -1 Modèle G Mesures 9 l/min -1 -1 Modèle G Mesures 12 l/min-1 -1 Modèle G Mesures 15 l/min-1 -1 Modèle G l.min 33l.min l.min 66l.min l.min 99l.min 12l.min l.min 12 15l.min l.min 15 3 2 facteur 2 1 Validation du filtrage par soustraction des images n et n+2 écoulement U m.s 1 x mesures simulation 0 1 2 3 4 5 6 Numéro du tube numéro du tube Bon accord mesures / simulation Bon accord sur les amplitudes et les gradients de vitesse Ux m.s1
