PIV

La vélocimétrie par images de particules (PIV) est une technique de mesure optique qui capture le mouvement de minuscules particules traceuses en suspension dans un fluide. Un laser pulsé illumine un plan mince à travers l'écoulement, et une caméra haute vitesse enregistre les positions des particules dans des images successives séparées par un intervalle de temps connu, généralement de 15 à 100 microsecondes. Un logiciel compare ensuite les emplacements des particules entre les images pour calculer la vitesse locale du fluide en des milliers de points simultanément.

La méthode repose entièrement sur l'ensemencement de l'écoulement avec des particules neutres, généralement de 1 à 100 micromètres de diamètre, fabriquées à partir de matériaux comme des sphères de polystyrène ou du verre revêtu d'argent. Ces traceurs doivent suivre fidèlement le fluide sans se déposer ni s'agglomérer. La nappe lumineuse, formée en faisant passer le faisceau laser à travers des optiques cylindriques, est maintenue mince, souvent de seulement 1 à 2 millimètres, pour garantir que les particules restent nettes et pour isoler un champ de vitesse bidimensionnel.

La PIV excelle dans la résolution de modèles d'écoulement complexes: les noyaux de vortex dans les jets de mélange, la séparation de la couche limite près des ailes d'avion, ou les statistiques de turbulence dans l'écoulement en tuyau. Elle fournit des données de vitesse sur tout le champ plutôt que des mesures ponctuelles, ce qui la rend inestimable pour la validation des modèles de dynamique des fluides numérique. Cependant, la technique rencontre des difficultés dans les fluides opaques, dans les écoulements avec de très fortes concentrations de particules qui diffusent la lumière de manière imprévisible, et dans les situations où les particules traceuses ne peuvent pas être introduites ou ne peuvent pas correspondre à la densité du fluide.

Variantes et considérations de configuration

La PIV stéréo utilise deux caméras sous des angles différents pour capturer trois composantes de vitesse à partir d'un seul plan de mesure. La PIV volumétrique, ou PIV tomographique, reconstruit la vitesse dans une région tridimensionnelle en utilisant plusieurs vues de caméra et une reconstruction tomographique. La PIV résolue dans le temps acquiert des images à des taux de kilohertz pour capturer la dynamique d'écoulement instationnaire image par image, bien que cela exige une puissance de calcul extrême pour le traitement. En revanche, la PIV standard capture deux images par impulsion de déclenchement et produit des résultats statistiques à partir de nombreux événements de déclenchement.

Le nom reflète la physique fondamentale: les trajectoires des particules encodent le mouvement du fluide. La partie vélocimétrie fait référence à la mesure de la vitesse; image indique la méthode de détection optique. La PIV est apparue dans les années 1980 dans les laboratoires de recherche et est maintenant standard en aérodynamique, en hydraulique et dans les essais thermohydrauliques, bien que son coût et la complexité de sa mise en œuvre la maintiennent principalement dans la recherche expérimentale plutôt que dans les diagnostics industriels sur site.