Caractérisation des écoulements instationnaires 3D par tomographie holographique numérique multidirectionnelle

Characterization of 3D unsteady flows by multidirectional digital holographic tomography

• Auteur / Autrice : François Olchewsky
• Direction : Jean-Michel Desse, Frédéric Champagnat
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique des milieux fluides
• Date : Soutenance le 20/11/2017
• Etablissement(s) : Lille 1
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences pour l'ingénieur (Lille)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de mécanique de Lille (LML)
• Partenaire(s) de recherche : Entreprise : Office national d'études et recherches aérospatiales. Département Traitement de l’Information et Systèmes (DTIS)

Mots clés

Mots clés contrôlés

Jets -- Fluides, Dynamique des

Écoulement tridimensionnel

Écoulement -- Visualisation

Traitement d'images -- Techniques numériques

Tomographie

Holographie numérique

Écoulement instationnaire (dynamique des fluides)

Mots clés libres

Strioscopie

Reconstruction tridimensionnelle

Résumé

Ces travaux de thèse s'inscrivent dans le cadre du développement métrologique des méthodes optiques appliquées à la mécanique des fluides pour la caractérisation des phénomènes aérodynamiques complexes 2D et 3D. Parmi ces méthodes, l'holographie numérique donne accès à la phase de l'écoulement, grandeur directement reliée à l'intégration de l'indice de réfraction de l'écoulement, la masse volumique étant déduite par la relation de Gladstone-Dale. Si la mesure de la phase est effectuée suivant plusieurs directions de visée, la masse volumique de l'écoulement peut être reconstruite en 3D par tomographie. Après avoir développé l'holographie numérique à la mesure des forts gradients de masse volumique caractéristiques des essais en soufflerie, trois campagnes d'essais ont été effectuées sur des écoulements 3D stationnaires pour comparer les performances de l'holographie numérique par rapport à la strioscopie interférentielle et la Background Oriented Schlieren (BOS) qui donnent accès à la déviation lumineuse, l'intégration de la dérivée de l'indice. L'algorithme de reconstruction 3D développé par l'Onera/DMPE pour la BOS3D, basé sur la minimisation d'un critère des moindres carrés régularisé par Tikhonov par la méthode des gradients conjugués, a été adapté aux mesures de phase. Les reconstructions avec 36 visées ont été comparées aux reconstructions obtenues par strioscopie interférentielle et BOS. Enfin, l'analyse sur le nombre de visées nécessaires à la reconstruction a montré sa dépendance avec la complexité 3D du jet, ce qui a conduit à mettre en oeuvre un banc d'holographie numérique à six visées simultanées pour reconstruire avec succès des jets libres instationnaires.

This PhD work is part of the metrological development of optical methods applied to Fluid Mechanics to characterize 2D and 3D complex aerodynamic phenomenon. One of these techniques is digital holography which measures flow phase, directly linked to the refractive index integration. Gas density is deduced thanks to Gladstone-Dale relationship. If phase measurements are done along several viewpoints, gas density can be rebuilt in 3D by tomography. Firstly, digital holography was developed to measure high density gradients encountered in compressible wind tunnels. Then, three campaigns were made on steady 3D flows to compare performances of digital holography to differential interferometry and Background Oriented Schlieren (BOS) which measure light deviation, integration of the derivative of refractive index. 3D reconstruction algorithm developed by Onera/DMPE for 3DBOS, based on conjugated gradients method of a least squared regularized by Tikhonov minimization criterion, was adapted to phase measurements. Reconstructions with 36 different viewpoints were compared to reconstructions obtained by differential interferometry and BOS. Finally, the analysis of the viewpoint number needed to reconstruction showed its dependency with 3D complexity of the jet, what led to the implementation a digital holographic set-up with six simultaneous viewpoints to rebuild with success unsteady flows.