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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..
Maquette expérimentale
Dispositif expérimental
tête d’émission laser
YAG 30 mJ 532 nm caméra
8 bits 768 x 484 pixels
maquette de l’échangeur
chariot de déplacement
sortie
entrée
moteur de déplacement
miroir plan
plan de la nappe laser
b1
b2
a3
a2
e
n1
n2
n3
Ri
r
ra
tube en verre
b1
air
écoulement d’eau
Problème : réfraction lumineuse aux deux interfaces
2211 sinnsinn bb
3322 sinnsinn aa
a1i rsineR b
Relations de Snell-Descartes:
Relations d’optique géométrique
Corrections optiques
•correction des positions radiales
•correction des déplacements
Filtrage des images
Sources de bruit :
1. dépôt de particules à la paroi
2. rayure sur la surfaces du tube
3. réflexions sur la surface intérieure du tube
4. bruit de fond de l’image
écoulement
4
32
1
2
image brute
érosion-dilatation
soustraction
images n et n+2
soustraction
image moyenne
Dx (pixel)
Dy (pixel)
Validation du filtrage par soustraction des images n et n+2
histogramme (sommation en x) intercorrélation à Dy = 0
facteur 2
image brute
érosion
soustraction
images n et n+2
soustraction
image moyenne
Principe de la PIV
laser double
impusion
écoulement
ensemencé
caméra
t+dt
images de particules
t
flash 2
image 1 image 2 image 3 image 4
Dt
flash 1 flash 1 flash 2
CAMÉRA
LASER 9 ns
33,33 ms
dt
6 ns
Calcul du champ de vitesse
p1
p2
p3
p4
image à l’instant t
dt
image à l’instant t+dt
p3’
p1’
p2’
p4’
dx
t
x
)t,x(V d
d
vitesse des particules :
bande
1
bande
3
bande
2
étape 1 étape 2 étape 3 étape 4
étape 5 étape 6 étape 7
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
1 vecteur vitesse par pixel d’image
information 32 x 32 = 1024 fois plus dense que la PIV par
intercorrélation (zones de fort gradient)
1
Fluctuation en entrée supérieure au niveau de turbulence aval
Valeur élevée dans le tube traversé par le plus fort débit
Valeur élevée dans le tube traversé par le plus fort débit
Mesures de Champ de vitesse moyen
Forte variation de débit à travers les différents tubes
Débit d’entrée 12 l.min-1
tube 1 tube 2 tube 3 tube 4 tube 5 tube 6
écoulement
1
xs.mU 
Champ turbulent
Débit d’entrée 12 l.min-1
222
xs.mu 
tube 1 tube 2 tube 3 tube 4 tube 5 tube 6
écoulement
Débit d’entrée 12 l.min-1
222
rs.mu 
tube 1 tube 2 tube 3 tube 4 tube 5 tube 6
écoulement
3
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
image brute filtrage
image moyenne filtrage images n et n+2
filtrage
érosion-dilatation
Bon accord sur les amplitudes
et les gradients de vitesse
Tube 2 débit d’entrée 12 l.min-1
mesures simulation
écoulement
1
xs.mU 
1
xs.mU 
Evolution du débit dans chaque tube.
0
1
2
3
4
5
6
1 2 3 4 5 6
Numéro du tube
Uq (m/s)
Mesures 3 l/min
Modèle G
Mesures 6 l/min
Modèle G
Mesures 9 l/min
Modèle G
Mesures 12 l/min
Modèle G
Mesures 15 l/min
Modèle G
numéro du tube
vitesse Uq
(m.s-1)
Code I-DEAS : modèle longueur de mélange, loi de paroi
Bon accord mesures / simulation
3 l.min-1
6 l.min-1
9 l.min-1
12 l.min-1
15 l.min-1
3 l.min-1
6 l.min-1
9 l.min-1
12 l.min-1
15 l.min-1
débit d’entrée
mesures
simulation
Comparaison avec la simulation numérique
Distribution des débits entre les tubes
4