FR2500167A1 - Procede et dispositif pour la mesure simultanee de deux composantes du vecteur vitesse instantanee d'ecoulement d'un fluide, par la mise en oeuvre de barrieres optiques - Google Patents

Abstract

ON FORME DEUX CROIX A, B COMPORTANT CHACUNE UN TRAIT OU BRANCHE 1A ET 1B D'UNE PREMIERE CARACTERISTIQUE OPTIQUE ET UN TRAIT OU BRANCHE 2A, 2B D'UNE SECONDE CARACTERISTIQUE OPTIQUE, DIFFERENTE DE LA PREMIERE. LES DEUX CARACTERISTIQUES OPTIQUES PEUVENT ETRE DES COULEURS ETOU DES POLARISATIONS DIFFERENTES. CES CROIX SONT OBTENUES AU MOYEN D'UN SYSTEME OPTIQUE COMPORTANT UN LASER ET DES MOYENS POUR DEDOUBLER LA LUMIERE PRODUITE PAR LE LASER EN DEUX FAISCEAUX DE CARACTERISTIQUES OPTIQUES DIFFERENTES, DES MOYENS ETANT EGALEMENT PREVUS POUR DIVISER EN DEUX CHACUN DE CES DEUX FAISCEAUX, AFIN D'OBTENIR FINALEMENT LES QUATRE TRAITS 1A, 2A, 1B, 2B. L'APPLICATION PREFEREE EST LA MESURE DE LA TURBULENCE DE L'ECOULEMENT DANS UNE TURBOMACHINE.

Description

Procédé et dispositif pour la mesure simultanée de deux composantes du vecteur vitesse instantanée d'écoulement d'un fluide, par la mise en oeuvre de barrières optiques
La présente invention concerne la mesure de la vitesse d'écoulement d'un fluide au moyen de barrières optiques, c'est-à-dire en déterminant le temps mis par des particules, mises en suspension dans ledit fluide, à parcourir la distance, de valeur connue, entre deux barrières optiques.

Dans la technique antérieure ces barrières étaient constituées par deux points lumineux ou deux traits lumineux parallèles, séparés par une distance connue.

Dans le cas de barrières optiques constituées par deux points lumineux, on détermine le temps de transit d'une particule en suspension dans le fluide entre son passage au premier point lumineux et son passage au second point lumineux. On doit donc orienter la droite joignant ces deux points pour qu'elle soit sensiblement parallèle au vecteur vitesse moyenne de l'écoulement.

On notera tout d'abord que ce procédé à deux points lumineux présente l'inconvénient que, meme après une telle orientation de la droite joignant les deux points, une très faible fraction des particules en suspension dans le fluide passe nécessairement en ces deux points.

Un autre inconvénient est qu'il s'agit d'un procédé impliquant, pour chaque mesure, une orientation de la droite joignant les deux points dans la direction du vecteur vitesse. I1 est donc nécessaire, en cas d'écoulement turbulent, d'orienter cette droite suivant plusieurs directions successives pour déterminer les fluctuations de direction et de module du vecteur vitesse local de l'écoulement. La durée de la mesure du vecteur vitesse est alors multipliée par le nombre d'orientations.

I1 en résulte donc que ce procédé et les disposi tifs qui le mettent en oeuvre exigent des durées de mesure relativement longues, par exemple de l'ordre de plusieurs minutes, notamment lorsque l'écoulement est turbulent. Les mesures suivant les différentes directions n'étant pas déterminées simultanément, car il faut réorienter entre les mesures la droite joignant les deux points lumineux, elles ne sont pas obtenues avec les mêmes particules et il est impossible de déterminer le vecteur vitesse instantanée.

Par contre ce procédé et le dispositif selon ce procédé permettent d'effectuer des mesures à proximité d'une paroi (par exemple jusqu'à 0,5 mm d'une paroi).

Des dispositifs à deux points lumineux sont actuellement disponibles sur le marché; les sociétés POLYTEC (République fédérale allemande), MALVERN INSTRUMENTS (Royaume-Uni) et SPECTRON DEVELOPMENTS (USA) en fabriquent.

Comme indiqué précédemment, les deux barrières optiques peuvent etre constituées par deux traits lumineux parallèles et dans ce cas lorsqu'on mesure le temps mis par une particule, en suspension dans le fluide dont on veut mesurer la vitesse d'écoulement, pour franchir l'intervalle entre ces deux traits parallèles, on obtient la composante de la vitesse perpendiculaire aux deux traits. Dans ce procédé à deux traits, il y a donc intéret à orienter la direction de ces deux traits parallèles pour qutelle soit sensiblement perpendiculaire au vecteur vitesse moyenne à mesurer.

I1 est nécessaire de procéder successivement à plusieurs orientations de ladite direction pour mesurer deux ou trois composantes du vecteur vitesse moyenne et en fait on ne mesure pas simultanément deux ou trois composantes d'un vecteur vitesse instantanée déterminé.

Le procédé à deux traits présente l'avantage, par rapport au procédé à deux points, de permettre des mesures plus rapides car un plus grand nombre de particules en suspension franchit plus facilement deux traits parallèles que deux points. On peut ainsi effec tuer des mesures de vitesse moyenne en quelques secondes.

Par contre on ne peut se rapprocher aussi près d'une paroi : il est difficile avec un dispositif à deux traits d'effectuer des mesures à moins de 1 à 2 mm d'une paroi.

Un procédé et un dispositif à deux traits lumineux parallèles est décrit dans la demande de brevet français nO 2.353.064 déposée par le demandeur le 25 mai 1976.

Par ailleurs, on a proposé d'effectuer des mesures, également de type optique, de la vitesse de déplacement d'un fluide doté de particules en suspension en créant des franges d'interférences lumineuses. Dans un tel système de franges une particule en suspension, ayant un vecteur vitesse de déplacement V, diffuse un flux lumineux à une fréquence f proportionnelle à la composante v de V normale aux franges. I1 suffit alors de mesurer le temps T correspondant à N alternances successives du signal à la fréquence f et on en déduit v = iT O en appelant i l'interfrange déterminée par un étalonnage préalable.

On a prévu, dans le brevet des Etats-Unis nO 3.830.568 déposé le 25 mai 1973 par John B. ALLEN, de créer simultanément deux reseaux de franges d'interférences orientées différemment, la direction des franges d'un des réseaux faisant un certain angle avec les franges de l'autre réseau et la couleur des franges d'un des réseaux étant différente de celle des autres.

On peut alors mesurer simultanément deux composantes < à savoir les composantes suivant deux directions perpendiculaires aux deux systèmes de franges) du vecteur vitesse instantanée de déplacement des particules en suspension dans le fluide. I1 en résulte des possibilités accrues et des mesures plus rapides. Par contre ce procédé ne permet d'effectuer des mesures qu'à une certaine distance des parois que les faisceaux lasers heurtent de front (généralement supérieure à 10 mm).

On notera que dans tous ces procédés et dispositifs les points lumineux, les traits lumineux ou les franges d'interférences sont obtenus au moyen de lasers délivrant une lumière cohérente intense.

La présente invention vise à réaliser un procédé et un dispositif combinant les avantages de la mesure rapide et bidimensionnelle (simultanément de deux composantes) du vecteur vitesse instantanée des particules en suspension selon le procédé et le dispositif du brevet
US nO 3.830.568 et de la mesure au voisinage des parois selon le procédé et le dispositif de la demande de brevet français nO 2.353.064. De ce fait le procédée le dispositif selon l'invention-permettent d'effectuer des mesures bidimensionnelles rapides le long des parois, donc d'étudier les mouvements turbulents au voisinage des parois, ce qui est très utile notamment pour l'étude des écoulements turbulents dans les turbomachines.

Le procédé selon l'invention pour mesurer simultanément les deux composantes du vecteur vitesse instantanée d'un fluide comportant des particules en suspension consiste
- à créer deux barrières optiques constituées par deux croix lumineuses coplanaires, dont les centres sont séparés par une certaine distance, chaque croix comportant une première branche constituée par un premier trait lumineux, d'une première caractéristique optique et une seconde branche constituée par un second trait~ lumineux d'une seconde caractéristique optique différente de la première, et les branches des deux croix étant parallèles deux à deux, ce qui entralne que l'angle entre les deux branches d'une même croix est le même pour les deux croix, et
- à mesurer les durées mises par des particules en suspension dans le fluide, pour franchir les intervalles respectifs entre les branches parallèles.

Avantageusement, la première caractéristique ppti- que et la seconde caractéristique optique sont les mêmes pour les deux croix.

Un dispositif pour la mise en oeuvre de ce procédé comporte en combinaison
- une source laser émettant un faisceau lumineux avec des radiations de deux caractéristiques optiques, des moyens pour séparer ces deux radiations en constituant deux faisceaux simples, l'un d'une première caractéristique optique et l'autre d'une seconde caractéristique optique, des moyens pour diviser en deux chacun des faisceaux simples et des moyens pour former, à partir des quatre faisceaux simples ainsi obtenus, à savoir deux faisceaux de la première caractéristique optique et deux faisceaux de la seconde caractéristique optique, deux croix lumineuses dont les centres sont séparés par une certaine distance, chaque croix compor tant une première branche constituée par un premier trait d'une première caractéristique optique et une seconde branche constituée par un second trait d'une seconde caractéristique optique différente de la première, la première caractéristique optique étant la même pour les deux croix, la seconde caractéristique optique étant la même pour les deux croix et les branches des deux croix étant parallèles deux à deux, ce qui entraine que l'angle entre les deux branches d'une même croix est le même pour les deux croix;
- des moyens pour repérer la traversée, par une particule en suspension dans le fluide, de chacune des branches des deux croix lumineuses::
- et des moyens pour mesurer les durées mises par des particules en suspension dans le fluide pour franchir les intervalles respectifs entre les branches pa parallèles.

Les deux caractéristiques peuvent être deux polarisations différentes et/ou deux couleurs différentes.

Pour deux couleurs différentes les branches paral lèles sont avantageusement de même couleur. Les deux faisceaux simples sont deux faisceaux monochromatiques.

Pour l'autre cas ce sont deux faisceaux polarisés différemment.

Dans le cas de deux couleurs différentes, celles-ci peuvent être par exemple la couleur bleue et la couleur verte émises par un laser à argon ionisé multifréquences de longueurs d'onde respectivement 514,5 nm et 488 nm.

L'angle commun entre les deux branches d'une même croix peut être soit variable, soit constant et dans ce cas il peut, par exemple, être de 900 ou 600.

Enfin on prévoit avantageusement des moyens pour modifier l'orientation de la droite réunissant les centres (distincts) des deux croix lumineuses afin de pouvoir orienter cette droite sensiblement parallèlement au vecteur vitesse moyenne des particules.

L'invention pourri de toute façon, être bien com -prise à l'aide du complément de description qui suit, ainsi que des dessins ci-annexés, lesquels complément et dessins sont, bien entendu, donnés surtout -à titre d'indication.

La figure 1 illustre en plan les deux barrières optiques constituées par deux croix lumineuses, chacune à deux traits de caractéristiques optiques différentes mises en oeuvre dans le procédé et le dispositif selon l'invention.

La figure 2 représente schématiquement un premier mode de réalisation du dispositif selon.l'invention dans lequel les deux branches de la croix ont une couleur différente, l'angle entre les deux branches de chacune des croix étant variable.

La figure 3 représente schématiquement un second mode de réalisation du dispositif selon l'invention dans lequel les deux branches de la croix ont une couleur différente, l'angle entre les deux branches de chaque croix étant constant.

Les figures 4 et 5 illustrent deux moyens optiques pour faire tourner l'orientation dans l'espace de la ligne réunissant les centres des deux croix dans un dispositif selon la figure 3.

La figure 6, enfin, représente deux prismes de
Wollaston capables de réaliser la séparation en deux paires de faisceaux polarisés suivant deux directions orthogonales.

Selon l'invention et plus spécialement selon celui de ses modes d'application, ainsi que selon ceux des modes de réalisation de ses diverses parties, auxquels il semble qu'il y ait lieu d'accorder la préférence, se proposant, par exemple, de réaliser un procédé et un dispositif pour la mesure simultanée de deux composantes du vecteur vitesse instantanée d'écoulement d'un fluide, par la mise en oeuvre de barrières optiques, on s'y prend comme suit ou d'une manière analogue.

Pour la mise en oeuvre de l'invention, on commence d'abord par ensemencer le fluide dont on veut déterminer la vitesse de déplacement < à moins qu'il soit naturellement ensemencé) au moyen de particules de dimensions submicroniques (de l'ordre de 0,2 à 1 micron). L'ensemencement peut etre réalisé par exemple au moyen de fumées d'encens ou de tabac, de vapeurs d'huile (ensemencement à froid) ou de poudres de silice, d'alumine, d'oxyde de titane ou de zirconium (ensemencement à chaud).

Conformément à la caractéristique du procédé et du dispositif selon l'invention, on forme deux croix a et b (figure 1) comportant chacune deux branches ou traits, la, 2a pour la première et lb et 2b pour la seconde, qui se coupent au centre 3a, 3b de la croix et qui présentent des caractéristiques optiques différentes. Les traits la et lb sont parallèles entre eux et présentent par exemple une me me première caractéristique optique ils ont la meme première couleur et/ou la meme première polarisation. Les traits 2a et 2b sont parallèles entre eux et présentent une même seconde caractéristique optique (différente de la première) : ils ont la même seconde couleur (différente de la première) et/ou une seconde polarisation (orthogonale à la première).

En variante, les traits la, lb, 2a, 2b sont constitués par des segments lumineux de couleurs différentes obtenus à partir des signaux délivrés par un laser émettant sur quatre fréquences.

Du fait du parallélisme entre les branches ou traits la et lb d'une part et 2a et 2b d'autre part, l'angle entre la et 2a d'une part et entre objet 2b d'autre part est le meme : il est désigné par 2c -sur la figure 1. I1 est généralement compris entre 600 et 900. On désigne enfin par 4 la droite joignant les points 3a et 3b.

Au cours du fonctionnement, on orientera (comme expliqué ci-aprés) les deux Croix de manière que la adroite 4 soit sensiblement parallèle au vecteur vitesse moyenne dans le plan des deux croix (celui de la figure 1). Dans ce cas la mesure du temps de parcours d'une particule entre les deux traits parallèles la et lb permettra de mesurer la composante de ce vecteur suivant une direction perpendiculaire à ces traits la, lb, tandis que la mesure du temps de parcours d'une particule entre les deux traits parallèles 2a et 2b permettra de mesurer la composante de ce vecteur suivant une direction perpendiculaire à ces traits 2a, 2b.

Le procédé selon l'invention consiste donc à créer les deux croix a et b avec les caractéristiques précitées et à mesurer les temps de parcours de particules entre les traits la et lb d'une part et 2a et 2b d'autre part. Les temps de parcours permettent de déterminer les composantes du vecteur vitesse des particules - et donc du fluide dans lequel elles sont en suspension - suivant des directions perpendiculaires à la, lb d'une part et 2a, 2b d'autre part, à condition d'avoir déterminé au préalable la distance entre les deux traits parallèles d par la formule très simple v.= d, en appelant v la com- posante de la vitesse, d la distance précitée et t le temps de parcours.

De préférence, les bras ou traits la, 2a d'une part et lb, 2b d'autre part, sont disposés symétriquement par rapport à la droite 4, l'ensemble des deux croix étant alors symétriqué par rapport à cette droite, comme c est le cas pour le mode de réalisation illustré sur la figure 1 et dans ce cas on a l'angle c de chaque côté de la droite 4 (angle fait par cette droite avec chacun des quatre traits la, lb, 2a, 2b).

L'angle 2c peut être soit variable, soit fixe, par exemple
- de 900, et dans ce cas on détermine les deux composantes cartésiennes du vecteur vitesse moyenne dans le plan de la figure 1, ce qui accroit la précision de mesure de ce vecteur,
- de 600, et dans ce cas on peut s'approcher davantage d'une paroi parallèle à la droite 4.

Les croix a et b sont obtenues avantageusement au moyen d'un laser. Elles peuvent par exemple comporter chacune un trait bleu la, lb et un trait vert 2a, 2b produits par un laser à argon ionisé qui émet des raies spectrales bleue et verte. On peut également prévoir des différences de polarisations, par exemple des polarisations croisées, verticales pour les traits la, lb d'une part et horizontales pour les traits 2a, 2b d'autre part, ou bien verticales pour les traits la, 2b et horizontales pour les traits lb, 2a.

On va maintenant, avec référence aux figures 2 à 6, décrire des modes de réalisation d'un dispositif selon l'invention.

Sur la figure 2 on a représenté schématiquement un mode préféré de réalisation d'un dispositif selon l'invention avec des croix à traits de couleurs différentes, les traits de même couleur étant parallèles entre eux et l'angle 2c pouvant être modifié par l'opérateur.

Sur cette figure un laser 5 à argon ionisé émet une raie verte de longueur d'onde égale à 514,5 nm et une raie bleue de longueur d'onde égale à 488 nm. Deux lames dichroiques 6 et 7 séparent ces deux raies et on obtient deux faisceaux monochromatiques, l'un vert 8v et l'autre bleu 8b.

Le faisceau vert 8v frappe un prisme biréfringent 9v, tel qu'un prisme de Rochon (comme illustré sur la figure 2) ou un prisme de Wollaston (du type illustré en 45a et 45b sur la figure 6) qui forme deux faisceaux partiels lOb et llv.

Ces deux faisceaux partiels traversent un système optique 12v-constitué par deux lentilles 13v, 14v, disposées pour que le foyer image de 13v soit confondu avec le foyer objet de 14v, et par deux lames à faces parallèles 15v, 16v disposées entre les deux lentilles et inclinées en sens opposés pour introduire un astigmatisme. On obtient finalement en sortie du système optique 12v deux faisceaux partiels verts de rayons parallèles aptes a former après traversée d'une lame dichroique 17 (dont le rôle sera expliqué ci-après) puis réflexion sur deux miroirs plans 18 et 19, parallèles entre eux et concentration en 21 par une lentille 20, les bras ou traits verts de deux croix a et b (figure 1) disposés dans un plan qui est perpendiculaire au plan de la figure 2 et dont la trace est 22 sur cette figure, ce plan de trace 22 étant le plan focal de la lentille 20.

Quant au faisceau bleu 8b, il est également divisé en deux faisceaux partiels lOb et llb par un prisme biréfringent 9b analogue au prisme 9v. - Ces deux faisceaux partiels bleus traversent un système optique 12b analogue au système optique 12v et comportant donc deux lentilles 13b et 14b, disposées comme les lentilles 13v et 14v, et deux lames à faces parallèles 15b et 16b, analogues aux lames 15v et 16v mais orientées différemment.

A la sortie du système optique 12b les deux faisceaux partiels bleus à rayons parallèles sont renvoyés par un miroir plan 23, puis; par la lame dichroïque 17 (jouant le rôle de mélangeur) sur le trajet optique des faisceaux partiels verts sortant du système optique 12v, et enfin sont réfléchis avec ceux-ci par les miroirs 18 et 19 pour être concentrés par la lentille 20 afin de former les bras ou traits bleus des deux croix a et b précitées.

On a décrit jusqu'à présent, avec référence à la figure 2, les moyens permettant de créer deux croix a et b du type illustré sur la figure 1, chacune avec un bras ou trait vert et un bras ou trait bleu.

Deux réglages sont possibles avec le dispositif de la figure 2.

Tout d'abord en tournant les prismes 9v et 9b l'opérateur peut faire tourner la droite 4 réunissant les centres 3a, 3b des deux croix a et b (figure 1) et donc orienter cette droite à peu près parallèlement au vecteur vitesse moyenne (dans le plan de la figure 1, c'està-dire dans le plan 22 de la figure 2) de l'écoulement vecteur que l'on veut mesurer.

Ensuite l'opérateur peut faire varier l'angle 2c en faisant tourner d'une manière indépendante les lames inclinées 15v, 16v d'une part et 15b, 16b d'autre part, de manière à former des croix pour lesquelles 2c vaut 600 ou 900 par exemple.

La mesure du temps de parcours des particules entre les deux traits bleus d'une part et les deux traits verts d'autre part des croix a et b est réalisée comme suit dans le dispositif de la figure 2.

Une lentille 24 recueille la lumière diffusée par les particules en suspension et qui a traversé la lentille 20 dans le sens de la droite vers la gauche à partir du plan 22 et n'a pas atteint le miroir 19 qui a avantageusement une forme elliptique. Dans ce cas la lumière collectée par la lentille 24 est constituée par un faisceau en forme de couronne.

La lentille 24 concentre ce faisceau en son foyer 25 où est disposée la surface sensible d'un détecteur photoélectrique, par exemple la surface sensible d'un photomultiplicateur. Toutefois le dispositif comporte une lame dichroique 26 qui sépare le flux vert 27v du flux bleu 27b dans le faisceau diffusé par les particules et concentré par la lentille collectrice 24, et deux lames semi-transparentes28v et 28b qui séparent les flux diffusés respectivement au niveau de chacun des traits verts et de chacun des traits bleus des croix a et b. De ce fait, au lieu du seul foyer 25, on a quatre foyers 25, 25a, 25b, 25c, en chacun desquels est disposée la surface sensible d'un photodétecteur 29, 29a, 29b, 29c.Chacun de ces photodétecteurs ne reçoit que la lumière renvoyée par un des quatre traits (chaque récepteur reçoit la lumière renvoyée par un trait différent) et il suffit de déterminer l'intervalle de temps séparant la réception d'une impulsion lumineuse (et donc l'émission d'une impulsion électrique) par 29 et 29a pour avoir le temps de parcours d'une particule entre les deux traits verts, et donc la composante du vecteur vitesse suivant une direction perpendiculaire à ces deux traits verts, et par 29b et 29c pour avoir le temps de parcours d'une particule entre les deux traits bleus, et donc la composante du vecteur vitesse suivant une direction perpendiculaire à ces deux traits bleus.Ces intervalles de temps entre deux impulsions électriques produites par les photodétecteurs sont mesurés au moyen de dispositifs de comptage classiques en électronique et, par la formule v = d précitée, on obtient les composantes
t du vecteur vitesse dans le plan de la figure 1 (plan 22 de la figure 2), d'où le vecteur vitesse instantanée dans ce plan (mesure bidimensionnelle). On peut ensuite déterminer, sur un nombre donné n de particules, le module et l'angle. du vecteur vitesse et les paramètres désirés de la turbulence du fluide qui contient les particules en suspension.

Sur la figure 3 on a représenté un second mode de réalisation d'un dispositif selon l'invention. Dans ce second mode de réalisation l'angle 2c est constant.

Dans le mode de réalisation de la figure 3, comme dans le mode de réalisation de la figure 2, on utilise, pour former la croix, un laser 5 à argon ionisé émettant une raie bleue et une raie verte.

Une première lentille 30, constituée par un objectif de microscope, est placée au foyer objet d'une lentille 32 constituant objectif et corrigée de l'aberration chromatique et des aberrations d ouverture, d'où obtention d'un faisceau parallèle 33 qui, aprcs réflexion sur les miroirs plans 34 et 35 t. corre--nondant aux miroirs 18 et 19 de la figure 2) et focalisation par une lentille 36 (correspondant à la lentille 20 de la figure 2), est concentré sur un plan dont la trace est 37 sur la figure 3 (correspondant à 22 de la figure 2).

Entre les lentilles 30 et 32 on prévoit deux lames à faces parallèles 38 et 39 identiques aux lames 15v, 16v ou 15b, 16b de la figure 2; les normales à ces deux lames parallèles 38 et 39 sont dans un plan passant par l'axe optique du système des lentilles 30 et 32 et forment avec cet axe des angles'égaux et opposés. Ces deux lames à faces parallèles 38 et 39 sont réalisées en un verre optique dont l'indice de réfraction et/ou l'épaisseur sont choisis de manière que la distance entre les focales tangentielles et les focales sagittales d'astigmatisme produites par ces deux lames soit égale à la distance entre les foyers pour les radiations vertes d'une part et pour les radiations bleues d'autre part de la lentille 36.Du fait de cette relation la focale sagittale, pour une des deux radiations, est coplanaire avec la focale tangentielle de l'autre, ce qui produit la formation, dans le plan 37, d'une croix comportant deux traits perpendiculaires se coupant en leur milieu, de longueurs égales, l'un de couleur verte et l'autre de couleur bleue, c'est-à-dire une croix du type illustré sur la figure 1 avec un angle 2c égal à 900.

Enfin entre la lentille 30 et la lame 38 on dispose un biprisme ou prisme biréfringent 40, analogue aux prismes biréfringents 9v et 9b de la figure 2 (prisme de Rochon ou de Wollaston). Le dédoublement de la source constituée par le laser 5 réalisé par le prisme 40 provoque un dédoublement de l'image dans le plan 37, ce qui produit non pas une croix mais un système de deux croix du type représenté sur la figure 1, avec 2c = 900.

On peut faire tourner les deux croix et donc orienter la droite 4 en faisant tourner l'ensemble optique constitué par le prisme 40 et les lames à faces paral lèles 38 et 39 autour de l'axe optique des lentilles 30 et 32 illustré en 41.

La détermination du temps de parcours d'une particule entre deux traits bleus ou entre deux traits verts du système de croix de la figure 1 formé dans le plan 37 est réalisée, dans le mode de réalisation de la figure 3, de la même manière que dans le mode de réalisation de la figure 2 et on prévoit à cet effet une lentille 24 et un ensemble 42 identique à l'ensemble de détecteur 42 de la figure 2 et simplement représenté par un rectangle en traits interrompus, le point 25 étant reproduit dans ce rectangle 42.

La rotation des axes suivant lesquels sont mesurées les composantes du vecteur vitesse instantanée d'une particule, c'est-à-dire perpendiculairement aux traits la, lb d'une part et 2a, 2b d'autre part, est obtenue soit en faisant tourner les éléments optiques 9v, 12v et 9b, 12b comme dans le mode de réalisation de la figure 2, soit comme indiqué précédemment en faisant tourner l'ensemble constitué par le prisme 40 et les lames 38 et 39. Dans le cas de la figure 3, on peut, à la réception, redresser la rotation des croix à l'aide d'un prisme tournant 43 disposé sur la figure 3 entre la lentille 24 et l'ensemble 42. Le montage de la figure 2 peut, en variante, comporter le même prisme tournant, intercalé entre les éléments 24 et 42, pour redresser la rotation des deux croix.Le prisme 43 peut être constitué par exemple par le prisme illustré sur la figure 4 ou par le prisme illustré sur la figure 5. Dans les deux cas les prismes ont, en section, la forme d'un rectangle amputé d'un triangle supérieur central. On a représenté le cheminement des rayons optiques de la gauche vers la droite (alors que sur la figure 3 il a lieu de la droite vers la gauche), tant pour le prisme 43a de la figure 4 que pour le prisme 43b de la figure 5 (sur la figure 4 on a représenté un faisceau lumineux 44a et sur la figure -5 simplement un rayon lumineux 44b).

Jusqu'à présent on a décrit l'invention dans le cas où les deux croix a et b de la figure 1 sont constituées chacune par deux bras ou deux traits de couleurs différentes (par exemple de couleur bleue et de couleur verte).

Comme indiqué précédemment, les deux traits d'une croix peuvent se distinguer par une autre caractéristique optique, à savoir la polarisation. On peut alors mettre en oeuvre un dispositif du type -illustré sur la figure 2, mais en remplaçant les lames dichroiques 6, 7 et 17 chacune par une lame semi-transparente. La polarisation des deux faisceaux (correspondant aux faisceaux 8v et 8b de la figure 2, mais de même couleur dans ce cas) est réalisée par exemple par des prismes de Wollaston disposés à laOo l'un par rapport à l'autre, comme illustré sur la figure 6, ces prismes 45a et 45b occupant la position des prismes 9v et 9b de la figure 2.

Revenant a la figure 6, on voit que chaque prisme 45a, 45b déduit d'un rayon entrant préalablement polarisé circulairement 46a, 46b (qui correspondent aux rayons 8v et 8b de la figure 2, mais ont meme composition spectrale) deux rayons 47a, 48a ou 47b, 48b polarisés à angle droit, comme indiqué par les flèches telles que g porté sur la figure 6. On obtient ainsi quatre rayons 47a, 48a, 47b, 48b qui correspondent aux quatre rayons 10v, liv, lOb, îlb de la figure 2, mais qui, au lieu d'etre de deux couleurs différentes, sont de deux polarisations différentes. On obtient donc finalement dans le plan 22 deux croix a et b du type illustré sur la figure i, les traits la et lb étant polarisés suivant une première direction et les traits 2a et 2b suivant une seconde direction orthogonale à la première direction de polarisation.

Quant à la détection, elle est réalisée dans l'ensemble 42 de la figure 2 non pas au moyen d'une lame dichroique 26, mais au moyen d'un séparateur de polarisation disposé au même endroit que la lame dichroïque 26.

Enfin on peut prévoir que les deux traits d'une même croix se distinguent à la fois par leur couleur et leur polarisation. Dans ce cas on peut conserver les lames dichroiques 6, 7, 17 de la figure 2, mais on remplace les prismes 9v et 9b de cette figure par les prismes 45a et 45b de la figure 6 pour la formation des deux croix. Dans ce cas on peut avoir pour les traits la et 2b une polarisation verticale et pour les traits 2a et lb une polarisation horizontale, les traits la et lb ayant une me me première couleur et les traits 2a et 2b une meme seconde couleur différente de la première.

Pour l'observation des temps de parcours -entre les deux traits la et lb, d'une part, et 2a et 2b, d'autre part, on peut, dans le cas où les deux traits d'une meme croix se distinguent à la fois par leur couleur et leur polarisation, mettre en oeuvre un dispositif analogue à celui qui a été illustré sur la figure 2, mais comportant
- soit un séparateur de polarisation disposé à la place de la lame dichrolque 26 et deux lames dichrolques disposées à la place des lames semi-transparentes 28v et 28b,
- soit une lame dichroïque disposée en 26, comme dans le mode de réalisation de la figure 2, et deux séparateurs de polarisation disposés en 28v et en 28b.

Gr ce-à cette organisation, les quatre photodétecteurs 29, 29a, 29b et 29c reçoivent des radiations toutes différentes par leur couleur et leur polarisation, ce qui permet de distinguer non seulement la grandeur des composantes du vecteur vitesse mais également leur sens, sans ambiguité.

Le procédé et le dispositif selon l'invention permettent, comme on vient de le voir, de déterminer simultanément les deux composantes du-vecteur vitesse de déplacement d'un fluide ensemencé (mesure bidimensionnelle). On peut donc déterminer le vecteur vitesse instantanéelui-meme dans un plan, à savoir celui des deux croix (plan 22 de la figure 2 ou plan 37 de la figure 3). On peut effectuer des mesures suffisamment près des parois (de l'ordre de 2 mm).

L'invention s'applique particulièrement d la déter- mination de la carte des vitesses dans une turbomachine.

Toutefois on peut également mettre en oeuvre le procédé et le dispositif selon l'invention pour l'étude des écoulements aérodynamiques dans des souffleries, notamment des souffleries transsoniques.

Le dispositif selon l'invention met en oeuvre des éléments optiques simples et un laser de type largement commercialisé. I1 est fiable et robuste et il permet de nombreux réglages.

Comme il va de soi et comme il résulte d'ailleurs déjà de ce qui précède, l'invention ne se limite nullement à ceux de ses modes d'application et de réalisation qui ont été plus spécialement envisagés; elle en embrasse, au contraire, toutes les variantes.

Claims (12)

REVENDICATIONS

1. Procédé pour la mesure simultanée de deux composantes du vecteur vitesse instantanée d'écoulement d'un fluide par la mise en oeuvre de barrières optiques, caractérisé en ce que les-barrières optiques sont constituées par deux croix lumineuses, dont les centres sont séparés par une certaine distance, chaque croix comportant une première branche constituée par un premier trait lumineux d'une première caractéristique optique et une seconde branche constituée par un second trait lumineux d'une seconde caractéristique optique différente de la première, et les branches des deux croix étant parallèles deux à deux, ce qui entraine que l'angle entre les deux branches d'une meme croix est le même pour les deux croix, et en ce que l'on mesure les durées mises par des particules en suspension dans le fluide, pour franchir les intervalles respectifs entre les branches parallèles.

2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la première caractéristique optique et la seconde caractéristique optique sont les mêmes pour les deux croix.

3. Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que les deux caractéristiques sont constituées par deux couleurs différentes.

4. Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce que les branches parallèles sont de meme couleur.

5. Procédé selon la revendication 3 ou 4, caractérisé en ce que les couleurs différentes sont la couleur bleue et la couleur verte émises par un laser à argon ionisé multifréquences.

6. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les deux caractéristiques sont constituées par deux polarisations différentes.

7. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'angle commun entre les deux branches d'une même croix est Variable.

8. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que l'angle commun entre les deux branches d'une même croix est constant, en étant de préférence égal à 900 ou 600.

9. Dispositif pour la mise en oeuvre du procédé selon l'une quelconque des revendications 2 à 8, carac trois en ce qu'il comporte en combinaison : une source laser émettant un faisceau lumineux avec des radiations de deux caractéristiques optiques, des moyens pour séparer ces deux radiations en constituant deux faisceaux simples, l'un d'une première caractéristique optique et l'autre d'une seconde caractéristique optique, des moyens pour diviser en deux chacun des faisceaux simples et des moyens pour former, à partir des quatre faisceaux simples ainsi obtenus, à savoir deux faisceaux de la première caractéristique optique et deux faisceaux de la seconde caractéristique optique, deux croix lumineuses dont les centres sont séparés par une certaine distance, chaque croix comportant une première branche constituée par un premier trait d'une première caractéristique optique et une seconde branche constituée par un second trait d'une seconde caractéristique optique différente de la première, la première caractéristique optique étant la même pour les deux croix, la seconde caractéristique optique étant la même pour les deux croix et les branches des deux croix étant parallèles deux à deux, ce qui entraine que l'angle entre les deux branches d'une meme croix est le même pour les deux croix: des moyens pour repérer la traversée, par une particule en suspension dans le fluide, de chacune des branches des deux croix lumineuses; et des moyens pour mesurer les durées mises, par des particules en suspension dans le fluide, pour franchir les intervalles respectifs entre les branches parallèles.

10. Dispositif selon la revendication 9, caractérisé en ce qu'on prévoit des moyens pour modifier l'orientation de a droite réunissant les centres distincts des deux croix lumineuses afin de pouvoir orienter cette droite sensiblement parallèlement au vecteur vitesse moyenne des particules.

11. Dispositif selon la revendication 9 ou 10, caractérisé en ce que les moyens pour séparer les deux radiations en constituant deux faisceaux simples et les moyens pour diviser en deux chacun des faisceaux simples sont constitués par deux lames dichrolques créant à partir d'un faisceau initial comportant au moins deux radiations deux faisceaux monochromatiques et par au moins un prisme biréfringent divisant un faisceau entrant en deux faisceaux sortants.

12. Dispositif selon la revendication 9 ou 10, ca ractérisé en ce que les moyens pour séparer les deux radiations en constituant deux faisceaux simples et les moyens pour diviser en deux chacun des faisceaux simples sont constitués par un prisme biréfringent et deux lames à faces parallèles inclinées en sens opposé par rapport à l'axe optique du prisme biréfringent et coopérant avec une lentille de concentration, la distance entre les focales tangentielles et les focales sagittales d'astigmatisme produites par ces deux lames étant égale à la distance entre les foyers pour les radiations vertes d'une part et pour 'les radiations bleues d'autre part de ladite lentille.