Reconstruction de champs instantanés de masse volumique par BOS 3D. Applications à l’étude d’écoulements complexes en grande soufflerie

par François Nicolas

Thèse de doctorat en Dynamique des fluides

Sous la direction de Grégoire Casalis et de David Donjat.

Le président du jury était Fabien Anselmet.

Le jury était composé de Frédéric Champagnat, Guy Le Besnerais, Thomas Rösgen.

Les rapporteurs étaient Friedrich Leopold, Fulvio Scarano.


  • Résumé

    Ces travaux de thèse s’inscrivent dans le cadre du développement d’outils métrologiques avancés pour la mécanique des fluides, et en particulier pour les souffleries. La Background Oriented Schlieren (BOS) 3D, développée à l’ONERA, est une technique qui exploite la déviation des rayons lumineux par un milieu non homogène pour mesurer la masse volumique. Elle consiste à comparer l’image de référence d’un fond texturé avec l’image de ce même fond en présence d’un écoulement. La corrélation entre ces deux images permet de calculer la déviation des rayons lumineux. En réalisant une acquisition simultanée à partir de différents points de vue, il est possible de reconstruire le champ de masse volumique associé, par résolution d’un problème inverse. Afin de poursuivre le développement de la technique, nous avons tout d’abord développé une chaîne de traitement plus systématique puis amélioré la robustesse de notre algorithme de reconstruction. Après avoir réalisé une validation sur des données de synthèse, nous avons mise en œuvre notre méthode sur un banc d’essais comportant 12 caméras. Par la suite, la technique a été déployée pour la première fois en soufflerie sur un jet chaud subsonique. Lors de cette campagne, elle a été validée par comparaison avec des mesures de température. Des acquisitions couplées BOS 3D et stéréo PIV ont également été effectuées. Une démonstration à l’échelle d’une soufflerie industrielle a ensuite été réalisée dans la soufflerie S1MAde l’ONERA. Les problématiques rencontrées sur les écoulements compressibles lors de ces essais ont ensuite conduit à étudier de manière plus approfondie les écoulements présentant de forts gradients d’indice optique. Un banc de mesure BOS 3D a été conçu en laboratoire afin d’optimiser la mesure d’un jet sous-détendu. Sur cette configuration, de très bon accords ont été obtenus avec la littérature ainsi qu’avec une simulation DES. A travers cette étude, nous avons étendu le domaine d’application de la BOS 3D aux écoulements compressibles et démontré son utilisation en soufflerie. La qualité des résultats obtenus démontre le potentiel offert par la technique pour l’analyse physique des écoulements.

  • Titre traduit

    Instantaneous density fields reconstruction by 3DBOS, application to complex flows in large wind tunnel


  • Résumé

    This PhD work is part of the development of advanced metrological tools for fluid dynamics, especially for wind tunnel applications. 3D Background Oriented Schlieren (BOS), which has been developed at ONERA, is a line-of-sight technique which takes advantage of light rays deviation through an inhomogenous index media to measure density. It consisted in comparing a reference image of a textured background with the image of the background with the flow in presence. Image correlation can then be used to compute light rays deviations. Performing such acquisition from multiple view points, allows to reconstruct the corresponding density field, by solving an inverse problem. In order to pursue the technique development, we first elaborate a systematic processing chain and improved the robustness of the reconstruction algorithm. After validating our method on synthetic data, we applied it on a 3DBOS bench equipped with 12 cameras. Thereafter, the technique has been set up for the first time in a wind tunnel environment, on a subsonic hot jet configuration. During this test campaign, the technique has been validated via thermocouples measurements.Moreover, 3DBOS and stereo-PIV coupled acquisitions have been performed. Thereafter, a demonstration in industrial wind tunnel has been performed in ONERA S1MA facility. Compressible flows issues encountered during those tests lead us to finer analysis high density gradient flows. A 3DBOS test bench has been built in laboratory in order to optimize underexpanded jet measurements. On this specific configuration, very good agreements have bee obtained in comparison with literature and with a DES simulation. This study has allowed the extension of 3DBOS application domain to compressible flows and it has demonstrated its use in a wind tunnel environment. The quality of the results highlights the technique potential for flows physical investigation.


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