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Visualisation des zones de melange, des instabilites et des structures coherentes dans les jets supersoniques par des nappes de lumiere laser
Volume 41, number 6
OPTICS COMMUNICATIONS
15 May 1982
VISUALISATION DES ZONES DE MELANGE, DES INSTABILITES ET DES STRUCTURES COHERENTES DANS LES JETS SUPERSONIQUES PAR DES NAPPES DE LUMIERE LASER R. PORCAR et J ~ . PRENEL Laboratoire d'Optique (CNRS.LA 214] *, Facultd des Sciences 25030 Besanfon Cddex, France Re~u le 20 janvier 1982
Two previous articles descried a simple method of visualization of shock waves, dealing with scattering of a plane laser light sheet. A new development of such a method allows tomographic visualizations of turbulent mixing zones, stationary structures and instabilities in supersonic flows.
1. Introduction Darts deux articles pr6e6dents [1,2], nous avons d6crit une m6thode de visualisation des ondes de choc raise au point pour r6soodre des probl~mes sp6cifiques rencontr6s clans l'~tude d'6coulements supersoniques particuliers, notarnment en veine guid6e. La technique utilis6e faisait appel h de Frees nappes de lumiSre remontant l'~coulement, obtenues par balayage d'un faisceau laser (6clairage longitudinal). D'une mise en oeuvre trSs simple, ere offrait n~anmoins d'int6ressantes possibflit6s: observation en temps r~el de ph6nom~nes lentement 6volutifs, reconstitution tridimensionnelle des surfaces de choc (tomographies), mais 6galement respect de la g6om6trie de l'6cottlement en raison de la disparition des hublots plans d'6clairage et d'observation [3-5]. Cette technique de scanning tridimensionnel en ~tait encore h ses premiers pas, mais rendait d6j/t des services, - d'une part dans les 6coulements surd6tendus (~jecteurs cylindriques par exemple) oft la condensation, m~me particuliSrement t6nue en raison des s~cheurs d'air qui 6quipent les souffleries d haute pression, permettait la visualisation par diffusion lumi* Travail effectu6 sur la soufflerie supersonique de l'Institut Universitaire de Technologie de Belfort. 0 030-4018/82/0000-0000/$ 02.75 © 1982 North-Holland
neuse des zones d fort gradient de pression (amont et aval des surfaces de choc), - d'autre part dans les interactions de jets, pour lesquelles l'exploitation des diff&ents 6tats de polarisation de la lumi~re diffus6e permettait une bonne s6paration des 6coulements. Aujoud'hui, nous sommes en mesure de g6n6raliser cette m~thode de visualisation h tousles types d'~coule. ments rapides. Le but du pr6sent article est de presenter tousles progr~s que nous avons r~alis6s darts ce domaine, notamment la forte augmentation de sensibilit~ permettant de visualiser des ph6nom~nes moins "brutaux" que les seules ondes de choc ou de tiger des ondes de choc instationnaires dont on ne distinguait que l'enveloppe en raison d'un temps d'observation trop long.
2. Visualisation des zones de m61ange dans un jet axisym6trique L'installation utilis6e est une soufflerie a haute pression (80 bars) permettant l'alimentation quasi continue de diff6rentes tuySres dont les nombres de Mach varient de 1, 2 ~ 3 (fig. 1). Le montage optique [6] fait appel ~un syst~me mixte (fig. 1). Dynamique d'une part: la nappe lumineuse d'~clai417
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p, Fig. 1. Schema du montage. A Photomultiplicateur. B Contr61eur. C Table tra~ante. D Alimentations stabilis6es. E G6n~rateur basse fr6quence. F. Oscilloscope. G Mesureur de puissance. H Asservissementde P1. I Vanne de r6gulation. II Chambre de tranquillisation. III Tuy~re interchangeable. IV Manom~tre (Pi). V Ejecteurs interchangeables. VI Echappement. VII Fen~tre. 1 Prisme. 2 Miroir. 3 Telescope. 4 Laser. 5 Rotateur de polarisatiou. 6 Micromouvements. 7 Syst~mesd'enregistrement. 8 Fibre optique. 9 Lame Afaces parall~les. 10 Dispositif li double passage (doublage d'intensit6).
rage est engendr6e par un miniprisme 1 solidaire d'un oscillateur galvanom6trique asservi; celui-ci, pilot~ par un signal triangulaire, garantit une vitesse de balayage uniforme. La nappe ainsi obtenue est caract6ris~e par un ensemble de param~tres ais6ment r~glables, largeur (amplitude du signal pilote E); vitesse de balayage (fr~quence du signal pilote E) 0 ~ 1000 Hz; position clans l'espace (micromouvements 6 et commande 61ectrique D); plan de polarisation (rotateur de polarisation 5). Statique d'autre part: un premier dispositif t61e418
scopique ~ optique sph6rique 3, plac6 en amont du prisme de balayage combat la divergence du faisceau laser. Un second syst~me optique sph~ro-cylindrique focalise la nappe darts la zone d'~tude sur une ~paisseur de quelques dixiSmes de miilimStre, en ~clairage longitudinal comme en ~clairage transversal. EnFm, darts ce dernier cas, un syst~me de miroirs l 0 permet de doubler la nappe et de suprimer les zones d'ombre lorsqu'un obstacle est introduit dans la veine. L'observation est effectu~e dans une direction orthogonale ii l'6coulement, l'enregistrement 7 6tant
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Fig. 2a. S c h e m a d u s y s t ~ m e t u y ~ r e - j e t fibre. 1 - C h a m b r e de t r a n q u i l i s a t i o n . 2 - P l a n d ' e n t r ~ e d e la tuy~re. 3 - Tuy~re. 4 - P l a n d e s o r t i e de la tuy~re. 5 - L i m i t e d e jet. 6 - S y s t ~ m e de c h o c d e la tuy~re. 7 - Z o n e d e m~lange. 8 - B a l a y a g e d u faisceau.
Fig. 2b. Evolution du syst~me de choc en fonction de la pression generatrice Pi. 1 - Pi = 4 bar. 2 - Pi = 6 bar. 3 - Pi = 8 bar. 4 - Pi = 10 bar.
Fig. 2c. Tomographies du syst~me pr6c~dent ~ Pi = 12 bar. 1 - Plan diam6tral. 2 - Plan d~cal6 de 3 mm. 3 - Plan d6cal6 de 6 mm. photographique ou cin6matographique; une analyse par chaine photom~trique est ~galement possible (8A). Les hautes densit& d'~nergie permises par ce montage provoquent, malgr~ une source laser de puissance m o y e n n e (raie verte de l'argon - 400 roW), une diffu.
sion lumineuse intense dans les zones ot~ les traceurs naturels (poussi~res, brouiUards de condensation...) sent fortement agit&. II est ainsi facile de r6v61er, sans aucun ensemencement, les zones d f o r t e turbulence, telles clue k s zones de m61ange. Une information globale sur la forme du jet (la " p l u m e " ) est alors disponible. La luminosit6 du ph~nom~ne permet l'enregistrement sur des ~mulsions commerciales classiques (400 ASA), le temps d'exposition 6tant voisin du 2508me de seconde. Deux types d'applications sent p r & e n t & ici (fig. 2): - la recherche du r~g~ne d ' a d a p t a t i o n d'une tuy6re - l'~tude tomographique d'un jet, obtenue par simple translation de la nappe.
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3. Visualisation des instabilit6s Le modele a~rodynamique utilis6 est un ~jecteur cylindrique coupl6 avec une tuy6re coquetier dent le nombre de Mach est ~gal ~ 3 [7]. Ce dispositif donne naissance ~ une surface de ehoc en tronc de cbne, issue de la paroi (recollement du jet) et termin~e ~ l'aval par un disque de Mach. C~t ~coulement: ~ forts:g~dients de pression a permis dSs le d~part une visualisation/~ contraste ~lev6, meme avec une source iaser de faible puissance (He-Ne-0,5 mW) et une nappe ~16mentaire obtenue par simple balayage de basse fr~quence (50 Hz) sans rintervention de syst~mes optiques [ 1] (fig.
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et l'enveloppe de ses fluctuations correspond ~ la surface visualis6e en temps moyenn6 sur la fig. 3a. Enf'm, lors de la phase de d6samor~age du r6gime supersonique, provoqu6e par une baisse de la pression g6n~ratrice, la m~thode pouss~e ~ ses limites actueUes (mais toujours en utilisant une c~mulsioncommerciale 400 ASA) met en 6vidence la disparition du disque de Mach qui subit un v6ritable faseyage (fig. 3c). L'6clai•rage ~tant continu, renregistrement VIDEO en temps r~el a ~t~ r~alis6, dam le but d'~tudier les paramStres influant sur le d6samor~age [6].
3a).
4. Visuafisation des structures coh6rentes
Un ~coulement identique, test~ par la technique pr6sent6e ci-dessus, r6v61e toujours sans aucun ensemencement, une instabilit6 du disque de Math (fig. 3b),
Nous venons de pr6ciser comment la sensibilit6 de la m~thode de visualisation peut etre accrue en ajustant
!~!!i~iii!~i¸i!¸!~!~iii¸~ili iii ii Fig. 3a. Enveloppe des d6formations (temps moyenn6).
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Fig. 3b. D~formation du disque de Mach pour diverses pressions g~n~ra~ices (surimpressions).
!!ii Fig. 3c. Amor~age et d6samor~age du r6gime supersonique (instabilit6s).
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Fig. 4. Structures coh6rentes du jet. 1 et 3 - Eclairage longitudinal, Pi = 4 et 6 bar. 2, 4 et 5 - Eclairage transversal, Pi = 4, 6 et 12 Eclairage transversal - tomographies - plans ddcal~s de 2 et 4 flare.
bar. 6 e t 7 -
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les param~tres physiques de la nappe d'6clairage: - densit~ d'6nergie: ~paisseur (systSmes de focalisation en cascade), largeur, ~ de balayage, - plan de polarisation favorimnt la diffusion lumineuse [2]. Dans les cas ot~ la sensibilit~ est encore insuftasante, notamment dam les zones oi~ l'~eoulement ~tudi6 pr~sente des gradients de vitesse ou de pression t~duits et des concentrations de ~ r s naturels tr~s faibles, il est possible de r~veqer, paremmneneement progressif, des ph6nomSnes beaueoup moins "violents" clue les chocs forts ou les couches de m~lange. I1 est toujours critiquable d'ajouter eomme traceurs des corps ~trangers ~ l'~coulement: d'une part, lorsqu'ils sont introduits en grand hombre, ils peuvent perturber l'~coutement; d'autre part, en raison de leur inertie, il n'est pas toujours ~vident qu'ils suivent fid~lement le fluide [8]. L'avantage de la m~thode propos~e ici r6side dans la haute densit6 d'~nergie des nappes f'mes de lumi~re eoh~rente qui rend suffisant un ensemencement tr~s faible puisque, sous Faction d'un ~dairage incoherent, m~me d'intensit~ ~lev~e, les traceurs restent rigoureusement invisibles et le jet parfaitement transparent. Ainsi, les zones obscures observables en sortie de tuy~re sur les photographies de la figure 2, qui correspondent ~ une pattie plus "ordonn~e" de l'~eoulement, bien qu'encore fortement turbulente au niveau microscopique, apparaissent fortement lumineuses d~s que l'on introduit des traces de f u m e s dam le fluide g~n~rateur. Dans le cas present, un metre-cube d'air ensemenc~ ~ la pression atmosph~rique est m~l~ r6guli~rement dans le temps/t 5 m 3 d'air comprim6 ~ 80 bars, au tours d'une s~rie de rafales durant 2 ~ 3 heures:
yenne desparticules, contr61~e par l'analyse des propri~t~s de la htmi~re diffus~e [6], est voisine de 0,5 /Jan [9,10]. Les r~Sult~ obtonus sont r~surn~s Par les photographics de ta figure 4, mr lesqueRes on,pe~t observer les structures de recompr~c~a succeutives d'un jet libre, ~ l'int~rieur de la "plume" visualize pr~c~demment (tag. 2). Les d~tails caract~risant l'organisation de l'~coulement sont nettement visibles: chocs faibles de recompression, r~flexions sur la touche de m~lange, zones de d~tente. Pour des pressions g~n6ratrices nette422
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merit sup6rieures ~ la pression d'adaptation, on voit m~me apparaitre, au voisinage de l'axe, un choc droit ainsi que les lignes de glissement bo~dant le noyau central rapide.
5. Conclusion Les techniques de visuaUmtion giobale connaissent actuenement un regain d'int6r~t [11 ]; dies constituent un outil eompl&nentaire des techniques d'analyse ponetuelle [5] telles que la v61ocim6trie laser, car elles facilitent g~n6ralement la comprehension des ph~nomdnes. La m6thode pr6sent~e ici s'av~re 6tre de ce point de rue un moyen d'investigation souple et efficace: les techniques utilisant des traceurs diffusants, bien connues dans l'exp~rimentation subsonique et les visualisations de f'dets fluides [12], ont ~t~ transpos~es avec succ~s dam le domaine des ~coulements supersoniques. La s~lectivit6 spatiale de l'analyse tomographique, par opposition aux m~thodes qui intSgrent l'information la traversce de l'¢coulement et transforment des repartitions tridimensionnelles d'indiee en variations d'6clairement dam un plan, nous incitent actuellement d~velopper encore la m6thode pour l'adapter l'6tude de Iaturbulence Free. Bien entendu, la sensibilit6 est li6e au choix de la source lumineuse; un laser continue de 17 W ferait done beaucoup mieux, tout en conservant la souplesse des r6glages.
R~f~rences [ I] R. Porcar, !P. Prenel et C. Robert, Optics Comm. 14 (1975) 104. [21 R. Porcaret IP, PreneloOptt~Comm. 17 (1976) 346. [3] W. Merzklreh,Flow ~ ! i e n ( A ~ e ~ Press, 1974). [4] C. Veret, ANRT t~me Colloquede Ch~matographie Rapide, Paris, Mai 1978. [5] D;H. Fruman et J.S. Darrozes,C.R. desjourn~es d'Orsay, 1979. [6] R, Porcax,Th~se de Doctozat d'Etat, Besanfon, D~eembre 1980. [7] C. R 0 ~ , Ent~opie 16 (!950) 8. [8] H~D;Von Sie~ and HJ, Pfeffer, AppL Optics 11 (1972) 30S. [9] C. Acquista, Appl. Optics 15 (1976) 2932. [101 N.S. EIong and A.R. Jones, Appl. Optics 15 (1976) 2951.
[11] International Symposium on Flow visualization,Bochum, Sept. 1980. [12] R.L. Bisplinghoff,J.B. Coff'mand C.W. Haldeman, AIAA J. 14 (1976) 1133.
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VISUALISATION DES ZONES DE MELANGE, DES INSTABILITES ET DES STRUCTURES COHERENTES DANS LES JETS SUPERSONIQUES PAR DES NAPPES DE LUMIERE LASER R. PORCAR et J ~ . PRENEL Laboratoire d'Optique (CNRS.LA 214] *, Facultd des Sciences 25030 Besanfon Cddex, France Re~u le 20 janvier 1982
Two previous articles descried a simple method of visualization of shock waves, dealing with scattering of a plane laser light sheet. A new development of such a method allows tomographic visualizations of turbulent mixing zones, stationary structures and instabilities in supersonic flows.
1. Introduction Darts deux articles pr6e6dents [1,2], nous avons d6crit une m6thode de visualisation des ondes de choc raise au point pour r6soodre des probl~mes sp6cifiques rencontr6s clans l'~tude d'6coulements supersoniques particuliers, notarnment en veine guid6e. La technique utilis6e faisait appel h de Frees nappes de lumiSre remontant l'~coulement, obtenues par balayage d'un faisceau laser (6clairage longitudinal). D'une mise en oeuvre trSs simple, ere offrait n~anmoins d'int6ressantes possibflit6s: observation en temps r~el de ph6nom~nes lentement 6volutifs, reconstitution tridimensionnelle des surfaces de choc (tomographies), mais 6galement respect de la g6om6trie de l'6cottlement en raison de la disparition des hublots plans d'6clairage et d'observation [3-5]. Cette technique de scanning tridimensionnel en ~tait encore h ses premiers pas, mais rendait d6j/t des services, - d'une part dans les 6coulements surd6tendus (~jecteurs cylindriques par exemple) oft la condensation, m~me particuliSrement t6nue en raison des s~cheurs d'air qui 6quipent les souffleries d haute pression, permettait la visualisation par diffusion lumi* Travail effectu6 sur la soufflerie supersonique de l'Institut Universitaire de Technologie de Belfort. 0 030-4018/82/0000-0000/$ 02.75 © 1982 North-Holland
neuse des zones d fort gradient de pression (amont et aval des surfaces de choc), - d'autre part dans les interactions de jets, pour lesquelles l'exploitation des diff&ents 6tats de polarisation de la lumi~re diffus6e permettait une bonne s6paration des 6coulements. Aujoud'hui, nous sommes en mesure de g6n6raliser cette m~thode de visualisation h tousles types d'~coule. ments rapides. Le but du pr6sent article est de presenter tousles progr~s que nous avons r~alis6s darts ce domaine, notamment la forte augmentation de sensibilit~ permettant de visualiser des ph6nom~nes moins "brutaux" que les seules ondes de choc ou de tiger des ondes de choc instationnaires dont on ne distinguait que l'enveloppe en raison d'un temps d'observation trop long.
2. Visualisation des zones de m61ange dans un jet axisym6trique L'installation utilis6e est une soufflerie a haute pression (80 bars) permettant l'alimentation quasi continue de diff6rentes tuySres dont les nombres de Mach varient de 1, 2 ~ 3 (fig. 1). Le montage optique [6] fait appel ~un syst~me mixte (fig. 1). Dynamique d'une part: la nappe lumineuse d'~clai417
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rage est engendr6e par un miniprisme 1 solidaire d'un oscillateur galvanom6trique asservi; celui-ci, pilot~ par un signal triangulaire, garantit une vitesse de balayage uniforme. La nappe ainsi obtenue est caract6ris~e par un ensemble de param~tres ais6ment r~glables, largeur (amplitude du signal pilote E); vitesse de balayage (fr~quence du signal pilote E) 0 ~ 1000 Hz; position clans l'espace (micromouvements 6 et commande 61ectrique D); plan de polarisation (rotateur de polarisation 5). Statique d'autre part: un premier dispositif t61e418
scopique ~ optique sph6rique 3, plac6 en amont du prisme de balayage combat la divergence du faisceau laser. Un second syst~me optique sph~ro-cylindrique focalise la nappe darts la zone d'~tude sur une ~paisseur de quelques dixiSmes de miilimStre, en ~clairage longitudinal comme en ~clairage transversal. EnFm, darts ce dernier cas, un syst~me de miroirs l 0 permet de doubler la nappe et de suprimer les zones d'ombre lorsqu'un obstacle est introduit dans la veine. L'observation est effectu~e dans une direction orthogonale ii l'6coulement, l'enregistrement 7 6tant
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Fig. 2a. S c h e m a d u s y s t ~ m e t u y ~ r e - j e t fibre. 1 - C h a m b r e de t r a n q u i l i s a t i o n . 2 - P l a n d ' e n t r ~ e d e la tuy~re. 3 - Tuy~re. 4 - P l a n d e s o r t i e de la tuy~re. 5 - L i m i t e d e jet. 6 - S y s t ~ m e de c h o c d e la tuy~re. 7 - Z o n e d e m~lange. 8 - B a l a y a g e d u faisceau.
Fig. 2b. Evolution du syst~me de choc en fonction de la pression generatrice Pi. 1 - Pi = 4 bar. 2 - Pi = 6 bar. 3 - Pi = 8 bar. 4 - Pi = 10 bar.
Fig. 2c. Tomographies du syst~me pr6c~dent ~ Pi = 12 bar. 1 - Plan diam6tral. 2 - Plan d~cal6 de 3 mm. 3 - Plan d6cal6 de 6 mm. photographique ou cin6matographique; une analyse par chaine photom~trique est ~galement possible (8A). Les hautes densit& d'~nergie permises par ce montage provoquent, malgr~ une source laser de puissance m o y e n n e (raie verte de l'argon - 400 roW), une diffu.
sion lumineuse intense dans les zones ot~ les traceurs naturels (poussi~res, brouiUards de condensation...) sent fortement agit&. II est ainsi facile de r6v61er, sans aucun ensemencement, les zones d f o r t e turbulence, telles clue k s zones de m61ange. Une information globale sur la forme du jet (la " p l u m e " ) est alors disponible. La luminosit6 du ph~nom~ne permet l'enregistrement sur des ~mulsions commerciales classiques (400 ASA), le temps d'exposition 6tant voisin du 2508me de seconde. Deux types d'applications sent p r & e n t & ici (fig. 2): - la recherche du r~g~ne d ' a d a p t a t i o n d'une tuy6re - l'~tude tomographique d'un jet, obtenue par simple translation de la nappe.
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3. Visualisation des instabilit6s Le modele a~rodynamique utilis6 est un ~jecteur cylindrique coupl6 avec une tuy6re coquetier dent le nombre de Mach est ~gal ~ 3 [7]. Ce dispositif donne naissance ~ une surface de ehoc en tronc de cbne, issue de la paroi (recollement du jet) et termin~e ~ l'aval par un disque de Mach. C~t ~coulement: ~ forts:g~dients de pression a permis dSs le d~part une visualisation/~ contraste ~lev6, meme avec une source iaser de faible puissance (He-Ne-0,5 mW) et une nappe ~16mentaire obtenue par simple balayage de basse fr~quence (50 Hz) sans rintervention de syst~mes optiques [ 1] (fig.
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et l'enveloppe de ses fluctuations correspond ~ la surface visualis6e en temps moyenn6 sur la fig. 3a. Enf'm, lors de la phase de d6samor~age du r6gime supersonique, provoqu6e par une baisse de la pression g6n~ratrice, la m~thode pouss~e ~ ses limites actueUes (mais toujours en utilisant une c~mulsioncommerciale 400 ASA) met en 6vidence la disparition du disque de Mach qui subit un v6ritable faseyage (fig. 3c). L'6clai•rage ~tant continu, renregistrement VIDEO en temps r~el a ~t~ r~alis6, dam le but d'~tudier les paramStres influant sur le d6samor~age [6].
3a).
4. Visuafisation des structures coh6rentes
Un ~coulement identique, test~ par la technique pr6sent6e ci-dessus, r6v61e toujours sans aucun ensemencement, une instabilit6 du disque de Math (fig. 3b),
Nous venons de pr6ciser comment la sensibilit6 de la m~thode de visualisation peut etre accrue en ajustant
!~!!i~iii!~i¸i!¸!~!~iii¸~ili iii ii Fig. 3a. Enveloppe des d6formations (temps moyenn6).
!i!ii! '¸?I?IYY!I
Fig. 3b. D~formation du disque de Mach pour diverses pressions g~n~ra~ices (surimpressions).
!!ii Fig. 3c. Amor~age et d6samor~age du r6gime supersonique (instabilit6s).
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Fig. 4. Structures coh6rentes du jet. 1 et 3 - Eclairage longitudinal, Pi = 4 et 6 bar. 2, 4 et 5 - Eclairage transversal, Pi = 4, 6 et 12 Eclairage transversal - tomographies - plans ddcal~s de 2 et 4 flare.
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les param~tres physiques de la nappe d'6clairage: - densit~ d'6nergie: ~paisseur (systSmes de focalisation en cascade), largeur, ~ de balayage, - plan de polarisation favorimnt la diffusion lumineuse [2]. Dans les cas ot~ la sensibilit~ est encore insuftasante, notamment dam les zones oi~ l'~eoulement ~tudi6 pr~sente des gradients de vitesse ou de pression t~duits et des concentrations de ~ r s naturels tr~s faibles, il est possible de r~veqer, paremmneneement progressif, des ph6nomSnes beaueoup moins "violents" clue les chocs forts ou les couches de m~lange. I1 est toujours critiquable d'ajouter eomme traceurs des corps ~trangers ~ l'~coulement: d'une part, lorsqu'ils sont introduits en grand hombre, ils peuvent perturber l'~coutement; d'autre part, en raison de leur inertie, il n'est pas toujours ~vident qu'ils suivent fid~lement le fluide [8]. L'avantage de la m~thode propos~e ici r6side dans la haute densit6 d'~nergie des nappes f'mes de lumi~re eoh~rente qui rend suffisant un ensemencement tr~s faible puisque, sous Faction d'un ~dairage incoherent, m~me d'intensit~ ~lev~e, les traceurs restent rigoureusement invisibles et le jet parfaitement transparent. Ainsi, les zones obscures observables en sortie de tuy~re sur les photographies de la figure 2, qui correspondent ~ une pattie plus "ordonn~e" de l'~eoulement, bien qu'encore fortement turbulente au niveau microscopique, apparaissent fortement lumineuses d~s que l'on introduit des traces de f u m e s dam le fluide g~n~rateur. Dans le cas present, un metre-cube d'air ensemenc~ ~ la pression atmosph~rique est m~l~ r6guli~rement dans le temps/t 5 m 3 d'air comprim6 ~ 80 bars, au tours d'une s~rie de rafales durant 2 ~ 3 heures:
yenne desparticules, contr61~e par l'analyse des propri~t~s de la htmi~re diffus~e [6], est voisine de 0,5 /Jan [9,10]. Les r~Sult~ obtonus sont r~surn~s Par les photographics de ta figure 4, mr lesqueRes on,pe~t observer les structures de recompr~c~a succeutives d'un jet libre, ~ l'int~rieur de la "plume" visualize pr~c~demment (tag. 2). Les d~tails caract~risant l'organisation de l'~coulement sont nettement visibles: chocs faibles de recompression, r~flexions sur la touche de m~lange, zones de d~tente. Pour des pressions g~n6ratrices nette422
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merit sup6rieures ~ la pression d'adaptation, on voit m~me apparaitre, au voisinage de l'axe, un choc droit ainsi que les lignes de glissement bo~dant le noyau central rapide.
5. Conclusion Les techniques de visuaUmtion giobale connaissent actuenement un regain d'int6r~t [11 ]; dies constituent un outil eompl&nentaire des techniques d'analyse ponetuelle [5] telles que la v61ocim6trie laser, car elles facilitent g~n6ralement la comprehension des ph~nomdnes. La m6thode pr6sent~e ici s'av~re 6tre de ce point de rue un moyen d'investigation souple et efficace: les techniques utilisant des traceurs diffusants, bien connues dans l'exp~rimentation subsonique et les visualisations de f'dets fluides [12], ont ~t~ transpos~es avec succ~s dam le domaine des ~coulements supersoniques. La s~lectivit6 spatiale de l'analyse tomographique, par opposition aux m~thodes qui intSgrent l'information la traversce de l'¢coulement et transforment des repartitions tridimensionnelles d'indiee en variations d'6clairement dam un plan, nous incitent actuellement d~velopper encore la m6thode pour l'adapter l'6tude de Iaturbulence Free. Bien entendu, la sensibilit6 est li6e au choix de la source lumineuse; un laser continue de 17 W ferait done beaucoup mieux, tout en conservant la souplesse des r6glages.
R~f~rences [ I] R. Porcar, !P. Prenel et C. Robert, Optics Comm. 14 (1975) 104. [21 R. Porcaret IP, PreneloOptt~Comm. 17 (1976) 346. [3] W. Merzklreh,Flow ~ ! i e n ( A ~ e ~ Press, 1974). [4] C. Veret, ANRT t~me Colloquede Ch~matographie Rapide, Paris, Mai 1978. [5] D;H. Fruman et J.S. Darrozes,C.R. desjourn~es d'Orsay, 1979. [6] R, Porcax,Th~se de Doctozat d'Etat, Besanfon, D~eembre 1980. [7] C. R 0 ~ , Ent~opie 16 (!950) 8. [8] H~D;Von Sie~ and HJ, Pfeffer, AppL Optics 11 (1972) 30S. [9] C. Acquista, Appl. Optics 15 (1976) 2932. [101 N.S. EIong and A.R. Jones, Appl. Optics 15 (1976) 2951.
[11] International Symposium on Flow visualization,Bochum, Sept. 1980. [12] R.L. Bisplinghoff,J.B. Coff'mand C.W. Haldeman, AIAA J. 14 (1976) 1133.