Investigations expérimentale et numérique d’un écoulement tridimensionnel dans une Investigations expérimentale et numérique d’un écoulement tridimensionnel dans une

structure d’échangeur thermique pour le RFQ d’IPHI.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 laserYAG 30 mJ 532 nm

caméra8 bits 768 x 484 pixels

maquette de l’échangeur

chariot de déplacement

sortie

entrée

moteur de déplacement

miroir plan

plan de la nappe laser

1

2

3

2en1

n2

n3

Ri

r

ra

tube en verre

1air

écoulement d’eau

Problème : réfraction lumineuse aux deux interfaces

2211 sinnsinn 3322 sinnsinn

a1i rsineR

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

3 2

1

2

image bruteérosion-dilatationsoustractionimages n et n+2soustractionimage moyenne

x (pixel)y (pixel)

Validation du filtrage par soustraction des images n et n+2

histogramme (sommation en x) intercorrélation à y = 0

facteur 2

image bruteérosionsoustractionimages n et n+2soustractionimage moyenne

Principe de la PIV

laser double impusion

écoulement

ensemencé

caméra

t+t

images de particules

t

flash 2

image 1 image 2 image 3 image 4

t

flash 1 flash 1 flash 2

CAMÉRA

LASER 9 ns

33,33 ms

t

6 ns

Calcul du champ de vitesse

p1

p2

p3

p4

image à l’instant t

t

image à l’instant t+t

p3’

p1’

p2’

p4’

x

tx

)t,x(V

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 imagesAnalyse 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

1x s.mU

Champ turbulent

Débit d’entrée 12 l.min-1

222x s.mu

tube 1 tube 2 tube 3 tube 4 tube 5 tube 6

écoulement

Débit d’entrée 12 l.min-1

222r s.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

filtrageimages n et n+2

filtrageérosion-dilatation

Bon accord sur les amplitudes et les gradients de vitesse

Tube 2 débit d’entrée 12 l.min-1

mesures simulation

écoulement

1x s.mU 1

x s.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/minModèle GMesures 6 l/minModèle GMesures 9 l/minModèle GMesures 12 l/minModèle GMesures 15 l/minModèle 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