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Visualisation des ondes de choc dans un ejecteur supersonique: Exploitation de la polarisation de la lumiere diffusee
Volume
17, number
3
VISUALISATION EXPLOITATION
OPTICS COMMUNICATIONS
June 1976
DES ONDES DE CHOC DANS UN EJECTEUR SUPERSONIQUE: DE LA POLARISATION
DE LA LUMIERE DIFFUSEE
R. PORCAR et J.P. PRENEL Laboratoire de Physique G&&ale et Optiyue, Facultk des Sciences,
Universite’de Besanpon, Route de Gray, 25030
Besanqon, Cedex, France
Recu le 1 Mars 1976
A previous article described a simple method of visualization aspect of such a method consists of considering the polarization
of shock waves, dealing with Rayleigh properties of the scattered light.
scattering.
A new
1. Introduction Dans un article precedent [ 11, nous avons d&it une methode simple de visualisation d’ondes de choc, engendrees dans un ejecteur supersonique, en Ccoulement interne axisymetrique ou non: en raison de l’humidite residuelle, la detente brutale de l’air dans l’ejecteur donne naissance a un brouillard de condensation [2,3], dont la densite en gouttelettes depend de la position, de la forme et de l’intensite des ondes de choc en aval de la tuyere. Invisible par observation directe, cet aerosol devient un objet diffusant pour une source lumineuse intense (pinceau laser direct, ou nappe lumineuse obtenue par balayage du faisceau), materialisant ainsi avec nettete la zone limitee par les surfaces de choc. Nour presentons ici un nouvel aspect de cette technique, exploitant la polarisation de la lumiere diffusee. Nous avons pu mettre en evidence le mecanisme de fonctionnement de l’ejecteur, et ameliorer la qualite des visualisations, Clargissant ainsi leur domaine d’application.
2. RCalisation expckimentale Un pinceau laser non Clargi (fig. 1) balaie l’interieur du tube ejecteur apres renvoi par deux prismes, P, et P2, dont l’un, PI, est monte sur un diapason Clectriquement entretenu. Un dispositif telescopique focalise les rayons dans le volume d’etude ameliorant ainsi consi346
Fig. 1. Schema de l’installation. 1: tuyere; 2: ejecteur; 3: dispositif de balayage; 4: laser; 5: orifice d’injection parietale; D: diaphragmes; Ot 02 : dispositif de focalisation; P: polariseur.
derablement la resolution transversale (diametre du faisceau divise par huit). Signalons que cette simple modification nous a permis d’ame’liorer sensiblement la precision des mesures des parametres geometriques de l’ecoulemenf [4], inaccessibles par les methodes optiques traditionnelles [5-81, tels que dimensions et positions de la structure de choc dans l’ejecteur , diametres et rayons de courbure du disque de Mach lorsque la pression generatrice varie, deformations de la structure de choc par un fluide secondaire inject6 a la paroi dont nous avons pu, en particulier, Cvaluer la hauteur de penetration dans le jet principal.
Volume 17, number 3
June 1976
OPTICS COMMUNICATIONS
Fig. 2. Diffusion lumineuse par une gouttelette. (ue,O, 10) = plan de diffusion, Ouo, direction de propagation de la lumikre incidente. (ro, 0, lo) = plan de vibration, Ox, direction de l’tkoulement.
3. Exploitation diffuke
de la polarisation de la lumihe
Le laser uti1k.C Cmet une lumi*re naturelle. Un polariseur P (fig. 1) permet de choisir une vibration rectiligne. L’observation se fait dans la direction Oz, perpendiculairement au plan de balayage, fixant l’angle de diffusion A la valeur 3 71. L’analyse de la 1umGre diffusee [9 ,101 montre que: - pour une lumi&re incidente naturelle, la lumihre diffusCe B 90” par les gouttelettes du nuage matCrialisant la structure de choc est totalement polarisCe rectilignement dans la direction Oy, - pour une lumibre incidente polarisCe rectilignement (fig. 2), de paramktres de Stokes
(b)
~Zo,Qo,~o,~o)=Zo~~,~~~~~,~in2A,0), la lumihe
diffusbe sous un angle 8 a pour param&tres
(Z, Q, U, V) = I,( 1 - sin28 cos2A , cos 2A - sin20 cos2A, cos 0 sin 2A, 0) ; en particulier
pour 8 = 90”)
(Zgo, Qgo, Ugo, Vgo) = ZO, (sin2A
- sin2A, 0,O)
,
et celle-ci est done polarisCe rectilignement; pour un angle A = 0”, c’est-g-dire pour une vibration incidente polarisCe suivant Oz, aucune lumikre n’est diffusCe dans cette direction. Ces rCsultats, en confirmant la prCsence de simple
Fig. 3. (a) D&formation de la structure de choc par une injection par&de. (b) Apport de particules diffusantes dans le jet secondaire. (c) AnaIyse en 1umiQe polarike du systeme [2].
diffusion Rayleigh, mettent en outre en Evidence, la posssibilitC d’kteindre, totalement ou partiellement, l’image de la structure de choc propre au tube par simple rotation du polariseur P. 341
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Fig. 4. Injection de particules par I’interieur du modele. 1: ejecteur; 2: maquette; 3: tige creuse de positionnement; 4: onde de choc de la maquette; 5: structure de choc deformee du tube ejecteur.
(a)
3.1. Application ri la skparation des ji’uides principaux et secondaires dam le cas d’une injection pa&tale Une faible injection d’air, par un orifice per& a la paroi de l’ejecteur en amont de la zone de recollement du jet ameliore sensiblement le rendement du dispositif [l 1 ,121. L’influence d’une telle injection se manifeste, en particulier, par une deformation de la structure de choc de I’ejecteur (fig. 3a), comparable a celle que provoquerait un obstacle materiel. L’apport de particules diffusantes dans le jet secondaire permet de visualiser l’ensemble des deux phenomenes (fig. 3b). En comparant les deux cliches a la structure de choc de l’ejecteur en l’absence d’injection parietale, il est possible de mettre en relief l’influence de celle-ci sur l’ecoulement principal. Mais, lorsque les particules injectees, tout en demeurant petites pour suivre convenablement l’ecoulement [S], ont une taille suffisante et sont en nombre assez 61eve pour que la lumiere diffusee a 90” par celles-ci ne soit plus totalement polarisde, il devient possible de ne visualiser que le jet secondaire en dteignant totalement l’image du systbme de choc principal (fig. 3c). Ainsi, nous avons pu mesurer avec une meilleure precision les hauteurs de penetration du jet parietal, verifier l’hypothese de non miscibilite des fluides principal et secondaire et visualiser le mecanisme d’interaction des deux Bcoulements.
3.2. Sgparation de la structure de choc de 1’6jecteur et du systkme de choc d’une maquette L’onde de choc en avant d’un obstable peut Ctre 348
(b)
Cc) Fig. 5: (a) Deformation de Ia structure de choc par une maqu lette. (b) Injection de particules diffusantes par I’inte’rieur du mod8 !le. (c) Analyse en lumiere polaride du systeme [ 21.
OPTICS COMMUNICATIONS
Volume 17, number 3 visualisCe par la deformation
qu’elle provoque
sur la
structure de choc du tube [ 11. L’injection de particules diffusantes par l’interieur du modele (fig. 4), permet d’obtenir
de plus amples
lyse en lurniere
polarisee
ment a forte concentration amont
d’ondes
informations:
en effet,
locale de gouttelettes
rtsultats
obtenus
Remerciements
en
ou la lumiere
diffusee n’est plus totalement polaride. Les photographies de la fig. 5 montrent
densitk locale de gouttelettes diffusantes aux conditions thermodynamiques generatrices de l’ecoulement .
l’ana-
rCv&le les zones de l’ecoule-
de choc meme faibles,
June 1976
quelques
sur un modele en forme d’ogive. Bien
que dans notre cas, nous soyions assez loin des conditions d’un Ccoulement uniforme, les visualisations obtenues se rapprochent toutefois tres nettement de r-6 sultats familiers aux aerodynamiciens. Notons enfin que la luminosite du phtnomene nous a permis d’enregistrer un film sur magnetoscope, dans le cas de phenomenes non stationnaires, (deformations de structures de choc provoquees par des variations de pression generatrice par example).
4. Conclusion La mkthode utilisee ici est interessante par ses possibilites d’exploration locale, en temps reel, du systeme Btudie . L’analyse en lumiere polarisee, en mettant en relief les surfaces de choc a l’interieur du nuage diffusant, ou en permettant la visualisation de jets complementaires, en fait un outil simple et effkace, susceptible d’applications plus g&r&ales que celles concernant les seuls ejecteurs supersoniques. Nous avons entrepris une etude systematique de la lumiere diffusee qui doit nous permettre de relier la
Ce travail a et6 effect& sur la soufflerie de l’I.U.T. de Belfort, dans le cadre du laboratoire de Physique GCnBrale et Optique de l’Universit6 de Besaneon. Nous tenons a remercier le Professeur O&nine, Directeur de l’I.U.T., et le Professeur Vienot, Directeur du Laboratoire d’optique pour leur aide precieuse.
References
HI R. Porcar, J.P. Prenel et C. Robert, Opt. Commun. 14 (1975) 104-107.
PI H.D.Von Stein, H.J. Pfeifer, Note technique ISL T 38/68. 131 G.D. Stein, P.P. Wegener, J. Chem. Phys. 46 (1967) 3685. 141 R. Porcar, These de Doctorat de Troisitime Cycle (1975, Besancon). 151 W. Merzkirch, Flow visualization (Academic Press, NewYork, 1974). 161 P. Smigielski, These de Doctorat d’Etat (1973, Besancon). I71 M. Philbert, A. Boutier, Recherche Akrospatiale, no. 3 (Mai-Juin 1972). 181 A.M. Schneiderman, G.W. Sutton, Physics of fluids 13 (1970) 1679-1682. 191 E. Hecht, A. Zajac, Optics (Addison Wesley, New-York, 1974). 1101 H.C. Van de Hulst, Light Scattering by small particles (:WiIey, New York, 1957). [III C. Oiknine, 2. Robert, F. Sananes, Congres de I’A.F.1.T.A.E. (Novembre 1969). 1121 C. Robert, These de Doctorat de Troisieme Cycle (1973, Besancon).
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DES ONDES DE CHOC DANS UN EJECTEUR SUPERSONIQUE: DE LA POLARISATION
DE LA LUMIERE DIFFUSEE
R. PORCAR et J.P. PRENEL Laboratoire de Physique G&&ale et Optiyue, Facultk des Sciences,
Universite’de Besanpon, Route de Gray, 25030
Besanqon, Cedex, France
Recu le 1 Mars 1976
A previous article described a simple method of visualization aspect of such a method consists of considering the polarization
of shock waves, dealing with Rayleigh properties of the scattered light.
scattering.
A new
1. Introduction Dans un article precedent [ 11, nous avons d&it une methode simple de visualisation d’ondes de choc, engendrees dans un ejecteur supersonique, en Ccoulement interne axisymetrique ou non: en raison de l’humidite residuelle, la detente brutale de l’air dans l’ejecteur donne naissance a un brouillard de condensation [2,3], dont la densite en gouttelettes depend de la position, de la forme et de l’intensite des ondes de choc en aval de la tuyere. Invisible par observation directe, cet aerosol devient un objet diffusant pour une source lumineuse intense (pinceau laser direct, ou nappe lumineuse obtenue par balayage du faisceau), materialisant ainsi avec nettete la zone limitee par les surfaces de choc. Nour presentons ici un nouvel aspect de cette technique, exploitant la polarisation de la lumiere diffusee. Nous avons pu mettre en evidence le mecanisme de fonctionnement de l’ejecteur, et ameliorer la qualite des visualisations, Clargissant ainsi leur domaine d’application.
2. RCalisation expckimentale Un pinceau laser non Clargi (fig. 1) balaie l’interieur du tube ejecteur apres renvoi par deux prismes, P, et P2, dont l’un, PI, est monte sur un diapason Clectriquement entretenu. Un dispositif telescopique focalise les rayons dans le volume d’etude ameliorant ainsi consi346
Fig. 1. Schema de l’installation. 1: tuyere; 2: ejecteur; 3: dispositif de balayage; 4: laser; 5: orifice d’injection parietale; D: diaphragmes; Ot 02 : dispositif de focalisation; P: polariseur.
derablement la resolution transversale (diametre du faisceau divise par huit). Signalons que cette simple modification nous a permis d’ame’liorer sensiblement la precision des mesures des parametres geometriques de l’ecoulemenf [4], inaccessibles par les methodes optiques traditionnelles [5-81, tels que dimensions et positions de la structure de choc dans l’ejecteur , diametres et rayons de courbure du disque de Mach lorsque la pression generatrice varie, deformations de la structure de choc par un fluide secondaire inject6 a la paroi dont nous avons pu, en particulier, Cvaluer la hauteur de penetration dans le jet principal.
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Fig. 2. Diffusion lumineuse par une gouttelette. (ue,O, 10) = plan de diffusion, Ouo, direction de propagation de la lumikre incidente. (ro, 0, lo) = plan de vibration, Ox, direction de l’tkoulement.
3. Exploitation diffuke
de la polarisation de la lumihe
Le laser uti1k.C Cmet une lumi*re naturelle. Un polariseur P (fig. 1) permet de choisir une vibration rectiligne. L’observation se fait dans la direction Oz, perpendiculairement au plan de balayage, fixant l’angle de diffusion A la valeur 3 71. L’analyse de la 1umGre diffusee [9 ,101 montre que: - pour une lumi&re incidente naturelle, la lumihre diffusCe B 90” par les gouttelettes du nuage matCrialisant la structure de choc est totalement polarisCe rectilignement dans la direction Oy, - pour une lumibre incidente polarisCe rectilignement (fig. 2), de paramktres de Stokes
(b)
~Zo,Qo,~o,~o)=Zo~~,~~~~~,~in2A,0), la lumihe
diffusbe sous un angle 8 a pour param&tres
(Z, Q, U, V) = I,( 1 - sin28 cos2A , cos 2A - sin20 cos2A, cos 0 sin 2A, 0) ; en particulier
pour 8 = 90”)
(Zgo, Qgo, Ugo, Vgo) = ZO, (sin2A
- sin2A, 0,O)
,
et celle-ci est done polarisCe rectilignement; pour un angle A = 0”, c’est-g-dire pour une vibration incidente polarisCe suivant Oz, aucune lumikre n’est diffusCe dans cette direction. Ces rCsultats, en confirmant la prCsence de simple
Fig. 3. (a) D&formation de la structure de choc par une injection par&de. (b) Apport de particules diffusantes dans le jet secondaire. (c) AnaIyse en 1umiQe polarike du systeme [2].
diffusion Rayleigh, mettent en outre en Evidence, la posssibilitC d’kteindre, totalement ou partiellement, l’image de la structure de choc propre au tube par simple rotation du polariseur P. 341
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OPTICS COMMUNICATIONS
Fig. 4. Injection de particules par I’interieur du modele. 1: ejecteur; 2: maquette; 3: tige creuse de positionnement; 4: onde de choc de la maquette; 5: structure de choc deformee du tube ejecteur.
(a)
3.1. Application ri la skparation des ji’uides principaux et secondaires dam le cas d’une injection pa&tale Une faible injection d’air, par un orifice per& a la paroi de l’ejecteur en amont de la zone de recollement du jet ameliore sensiblement le rendement du dispositif [l 1 ,121. L’influence d’une telle injection se manifeste, en particulier, par une deformation de la structure de choc de I’ejecteur (fig. 3a), comparable a celle que provoquerait un obstacle materiel. L’apport de particules diffusantes dans le jet secondaire permet de visualiser l’ensemble des deux phenomenes (fig. 3b). En comparant les deux cliches a la structure de choc de l’ejecteur en l’absence d’injection parietale, il est possible de mettre en relief l’influence de celle-ci sur l’ecoulement principal. Mais, lorsque les particules injectees, tout en demeurant petites pour suivre convenablement l’ecoulement [S], ont une taille suffisante et sont en nombre assez 61eve pour que la lumiere diffusee a 90” par celles-ci ne soit plus totalement polarisde, il devient possible de ne visualiser que le jet secondaire en dteignant totalement l’image du systbme de choc principal (fig. 3c). Ainsi, nous avons pu mesurer avec une meilleure precision les hauteurs de penetration du jet parietal, verifier l’hypothese de non miscibilite des fluides principal et secondaire et visualiser le mecanisme d’interaction des deux Bcoulements.
3.2. Sgparation de la structure de choc de 1’6jecteur et du systkme de choc d’une maquette L’onde de choc en avant d’un obstable peut Ctre 348
(b)
Cc) Fig. 5: (a) Deformation de Ia structure de choc par une maqu lette. (b) Injection de particules diffusantes par I’inte’rieur du mod8 !le. (c) Analyse en lumiere polaride du systeme [ 21.
OPTICS COMMUNICATIONS
Volume 17, number 3 visualisCe par la deformation
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sur la
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lyse en lurniere
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ment a forte concentration amont
d’ondes
informations:
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locale de gouttelettes
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ou la lumiere
diffusee n’est plus totalement polaride. Les photographies de la fig. 5 montrent
densitk locale de gouttelettes diffusantes aux conditions thermodynamiques generatrices de l’ecoulement .
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rCv&le les zones de l’ecoule-
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June 1976
quelques
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4. Conclusion La mkthode utilisee ici est interessante par ses possibilites d’exploration locale, en temps reel, du systeme Btudie . L’analyse en lumiere polarisee, en mettant en relief les surfaces de choc a l’interieur du nuage diffusant, ou en permettant la visualisation de jets complementaires, en fait un outil simple et effkace, susceptible d’applications plus g&r&ales que celles concernant les seuls ejecteurs supersoniques. Nous avons entrepris une etude systematique de la lumiere diffusee qui doit nous permettre de relier la
Ce travail a et6 effect& sur la soufflerie de l’I.U.T. de Belfort, dans le cadre du laboratoire de Physique GCnBrale et Optique de l’Universit6 de Besaneon. Nous tenons a remercier le Professeur O&nine, Directeur de l’I.U.T., et le Professeur Vienot, Directeur du Laboratoire d’optique pour leur aide precieuse.
References
HI R. Porcar, J.P. Prenel et C. Robert, Opt. Commun. 14 (1975) 104-107.
PI H.D.Von Stein, H.J. Pfeifer, Note technique ISL T 38/68. 131 G.D. Stein, P.P. Wegener, J. Chem. Phys. 46 (1967) 3685. 141 R. Porcar, These de Doctorat de Troisitime Cycle (1975, Besancon). 151 W. Merzkirch, Flow visualization (Academic Press, NewYork, 1974). 161 P. Smigielski, These de Doctorat d’Etat (1973, Besancon). I71 M. Philbert, A. Boutier, Recherche Akrospatiale, no. 3 (Mai-Juin 1972). 181 A.M. Schneiderman, G.W. Sutton, Physics of fluids 13 (1970) 1679-1682. 191 E. Hecht, A. Zajac, Optics (Addison Wesley, New-York, 1974). 1101 H.C. Van de Hulst, Light Scattering by small particles (:WiIey, New York, 1957). [III C. Oiknine, 2. Robert, F. Sananes, Congres de I’A.F.1.T.A.E. (Novembre 1969). 1121 C. Robert, These de Doctorat de Troisieme Cycle (1973, Besancon).
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