D9 Capteurs de pression/débit

Topique

Les capteurs de pression et de débit permettent la mesure directe du champ de pression à la surface du corps du poisson ou dans le fluide environnant, ainsi que la vitesse locale de ce flux en des points précis. Dans les études hydrodynamiques, des capteurs de pression miniaturisés, implantés ou fixés à la surface du poisson, enregistrent la distribution de pression s'exerçant sur son corps, ce qui permet de déduire directement la force de traînée à laquelle le poisson est soumis et la portance qu'il génère. Les capteurs de débit, qu'ils soient électromagnétiques ou à fil chaud, permettent de mesurer la vitesse du fluide lui-même, avec une résolution spatiale et temporelle extrêmement fine.

Les capteurs de pression implantables, constitués de minuscules éléments piézorésistifs, mesurent la différence entre la pression au point d'implantation et une pression de référence, ou la pression absolue à ce point. La pression enregistrée par ces capteurs à la surface du poisson comporte deux composantes distinctes : la pression hydrostatique, qui dépend uniquement de la profondeur à laquelle se trouve le poisson, et la pression dynamique, générée par le flux d'eau lui-même lorsqu'il passe sur le corps du poisson. Cette pression dynamique augmente proportionnellement à la densité de l'eau et au carré de la vitesse du flux.

Précisément parce que cette pression dynamique dépend de la vitesse d'écoulement, la distribution de pression dynamique enregistrée autour du corps du poisson permet de reconstituer le champ de vitesse de l'écoulement externe. Ceci est réalisé en appliquant le même principe de conservation de l'énergie qui décrit la relation entre la pression et la vitesse dans un fluide. Ainsi, le corps du poisson, recouvert de capteurs de pression, agit comme un instrument de mesure de la vitesse de l'écoulement environnant.

Parmi les capteurs de débit mentionnés au début de ce modèle, les anémomètres à fil chaud mesurent la vitesse du fluide en fonction de la quantité de chaleur perdue par un fil métallique maintenu à température constante. Selon la loi de King, le courant électrique nécessaire pour maintenir la température du fil malgré l'effet de refroidissement de l'écoulement est une fonction calibrée de la vitesse d'écoulement.

Lorsque l'objectif est de mesurer non pas la vitesse d'écoulement en un point précis, mais le débit total circulant dans une seule direction, comme dans un tunnel de nage, on utilise des débitmètres électromagnétiques ou à ultrasons Doppler. Ces derniers mesurent le débit avec une grande précision. Le comportement le plus révélateur que nous permettent d'observer grâce à ces capteurs de pression est que, placés sur le corps du poisson, ils détectent l'onde de pression générée par le battement de sa nageoire caudale – la même onde de pression décrite au début de ce modèle comme faisant partie du champ de pression à la surface du corps. Cette observation nous permet d'étudier comment le poisson pourrait, en principe, détecter, grâce à sa ligne latérale, le champ d'écoulement qu'il génère en nageant.

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