Développement de l'holographie numérique : application à la trajectographie 3D de particules dans une allée de Bénard-von Kármán

Development of digital in-line holography : application to 3D-particle trajectography in a Benard-von Kármán flow

• Auteur / Autrice : Nebya Salah
• Direction : Denis Lebrun, Pierre Paranthoën
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique. Optique. Énergétique
• Date : Soutenance en 2009
• Etablissement(s) : Rouen

Mots clés

Mots clés contrôlés

Écoulement laminaire

Tourbillons (mécanique des fluides)

Sillage (dynamique des fluides)

Ondelettes

Imagerie tridimensionnelle

Holographie

Mots clés libres

Holographie numérique

Transformée en ondelettes

Transport de particules

Allée de Bénard-von Kármán

Résumé

Cette étude concerne le développement de l'holographie numérique dans l'axe pour l'application au transport des particules dans les écoulements laminaires ou turbulents. Dans le montage utilisé, une diode laser modulée éclaire un volume de fluide en mouvement ensemencé avec des particules. Les interférences créées entre la lumière diffractée par ces objets et le faisceau collimaté sont enregistrées à l'aide d’une caméra. La reconstruction numérique de l'hologramme est ensuite réalisée par un algorithme basé sur la transformée en ondelette. En illuminant le champ d'écoulement au moyen d'impulsions laser de durée et de période ajustables, on peut avoir accès aux positions 3D des gouttelettes qui l'ensemencent. Cette technique permet ainsi d'obtenir des informations Lagrangiennes dont les imprécisions de mesures restent inconnues. Dans le but d'estimer cette imprécision et de montrer les potentialités et les limites de cette technique, ce montage optique a été implanté sur une allée de Bénard-von Kármán dans laquelle des gouttelettes d'eau ont été injectées en amont. Les trajectoires obtenues à partir des enregistrements holographiques ont été localisées dans l'écoulement et la vitesse de chaque gouttelette a pu être comparée à la vitesse du fluide qui l'entoure (connue par PIV). L'analyse de ces résultats montre que l'incertitude de localisation dans la direction du faisceau est de l'ordre de 80µm. Malgré cette incertitude, on observe que les particules ne suivent pas parfaitement l'écoulement et sont influencées différemment par les diverses zones du sillage. La vitesse de chute de ces gouttelettes et leur nombre de Stokes estimé à 0,08-0,2 peuvent expliquer ce comportement.

This study deals with the development of digital in-line holography for the application to particles behavior in laminar or turbulent flows. In the set-up used, a modulated laser diode enlights a volume of moving fluid seeded by particles. Interferences created by the light diffracted by particles and the collimated beam is recorded by a CCD sensor. The numerical reconstruction is then realized by an algorithm based on wavelets transform. As the flow is enlighten by laser pulses of length and period adjustable, 3D positions of the droplets seeding the flow can be determined. This technique permits obtaining Lagrangian information but their accuracy is still unknown. In order to evaluate this accuracy and to show possibilities and limits of this technique, this optical device has been set-up on a Bénard-von Kármán flow seeded by water droplets. Trajectories obtained from holographic recordings were localized in the flow and particle velocities can be compared to the flow velocity around them (known by PIV). Analyses of these results show that localization uncertainties in the laser beam direction are about 80µm. In spite of this uncertainty, one can observe that droplets do not perfectly follow the flow and are influenced differently by the various zones of the wake. Droplets falling velocities and their Stokes number assessed to 0. 08-0. 2 can explain this behavior.