Investigations expérimentale et numérique d’un écoulement tridimensionnel dans une structure d’échangeur thermique pour le RFQ d’IPHI. François Launay,

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1 Investigations expérimentale et numérique d’un écoulement tridimensionnel dans une structure d’échangeur thermique pour le RFQ d’IPHI. François Launay, CNRS/IN2P3/IPNO Orsay, Thierry Faure, François Lusseyran, Pierre Gougat CNRS/LIMSI Orsay Résumé : Une méthode de mesure non intrusive pour déterminer les champs de vitesses d’un écoulement d’eau à travers une structure complexe d’échangeur de chaleur a été mise en œuvre sur une maquette à l’échelle 1. La vélocimétrie par image de particules (PIV), associée à un filtrage puis un traitement par flot optique et programmation dynamique a révélé de fortes variations de débits entre les tubes de l’échangeur et le caractère non établi de l’écoulement, prédites par les modèles numériques. L’analyse des champs instantanés confirme ce comportement. Les variations de vitesses à l’intérieur des tubes, calculées numériquement, sont en accord avec l’expérience.. Maquette expérimentale Dispositif expérimental tête d’émission laser YAG 30 mJ 532 nm caméra 8 bits 768 x 484 pixels maquette de l’échangeur chariot de déplacement sortie entrée moteur de déplacement miroir plan plan de la nappe laser 11 22 33 22 e n1n1 n2n2 n3n3 RiRi r rara tube en verre 11 air écoulement d’eau Problème : réfraction lumineuse aux deux interfaces Relations de Snell-Descartes: Relations d’optique géométrique Corrections optiques correction des positions radiales correction des déplacements Filtrage des images Sources de bruit : 1.dépôt de particules à la paroi 2.rayure sur la surfaces du tube 3.réflexions sur la surface intérieure du tube 4.bruit de fond de l’image écoulement 4 3 2 1 2 image brute érosion-dilatation soustraction images n et n+2 soustraction image moyenne  x (pixel)  y (pixel) Validation du filtrage par soustraction des images n et n+2 histogramme (sommation en x) intercorrélation à  y = 0 facteur 2 image brute érosion soustraction images n et n+2 soustraction image moyenne Principe de la PIV laser double impusion écoulement ensemencé caméra t+  t images de particules t  t 6 ns Calcul du champ de vitesse p1p1 p2p2 p3p3 p4p4 image à l’instant t tt image à l’instant t+  t p3’p3’ p1’p1’ p2’p2’ p4’p4’ xx vitesse des particules : bande 1 bande 3 bande 2 étape 1 étape 2étape 3 étape 4 étape 5 étape 6 étape 7 Flot optique par programmation dynamique orthogonale (Quénot 1992) Algorithme issu du traitement de la parole (identification de signatures spectrales dans un sonogramme) Minimisation d’une distance locale entre les images Analyse de l’image par bandes et résolution par itérations orthogonales 1 vecteur vitesse par pixel d’image information 32 x 32 = 1024 fois plus dense que la PIV par intercorrélation (zones de fort gradient) 1 Fluctuation en entrée supérieure au niveau de turbulence aval Valeur élevée dans le tube traversé par le plus fort débit Mesures de Champ de vitesse moyen Forte variation de débit à travers les différents tubes Débit d’entrée 12 l.min -1 tube 1 tube 2 tube 3tube 4 tube 5tube 6 écoulement Champ turbulent Débit d’entrée 12 l.min -1 tube 1tube 2tube 3tube 4tube 5tube 6 écoulement Débit d’entrée 12 l.min -1 tube 1tube 2tube 3tube 4tube 5tube 6 écoulement 3 Intercorrélation Il n’y a pas de pic de déplacement en zéro après filtrage par image moyenne ou par soustraction des images n et n+2 image brutefiltrage image moyenne filtrage images n et n+2 filtrage érosion-dilatation Bon accord sur les amplitudes et les gradients de vitesse Tube 2 débit d’entrée 12 l.min -1 mesures simulation écoulement numéro du tube vitesse U q (m.s -1 ) Code I-DEAS : modèle longueur de mélange, loi de paroi Bon accord mesures / simulation 3 l.min -1 6 l.min -1 9 l.min -1 12 l.min -1 15 l.min -1 3 l.min -1 6 l.min -1 9 l.min -1 12 l.min -1 15 l.min -1 débit d’entrée mesures simulation Comparaison avec la simulation numérique Distribution des débits entre les tubes 4