D11 Vélocimétrie par image de particules - PIV

Topique

Le fluide entourant l'aile d'un insecte en vol se déplace de manière imperceptible à l'œil nu. La vélocimétrie par imagerie de particules (PIV) est la technique de référence pour révéler ces mouvements : elle mesure le champ de vitesse complet de l'air autour de l'aile.

Pour observer ce mouvement invisible, le fluide est d'abord imprégné de particules traceuses – de minuscules microsphères de verre creuses ou des gouttelettes d'huile d'olive atomisée – si petites et si légères qu'elles suivent fidèlement chaque mouvement du fluide, sans le perturber ni accuser de retard.

Une fois le fluide imprégné, un laser pulsé illumine un plan de l'espace à deux instants très rapprochés. Une caméra enregistre la position exacte de chaque particule traceuse dans ce plan à chacun de ces deux instants, produisant ainsi deux photographies quasi identiques du même groupe de particules, prises à un intervalle de temps très court.

En comparant ces deux photographies, une technique appelée corrélation croisée divise le plan illuminé en petits points d'interrogation qui se chevauchent. Pour chacune de ces fenêtres, on détermine le déplacement le plus probable des particules traceuses entre le premier et le deuxième instant. Ce déplacement, divisé par le court intervalle de temps, donne un vecteur vitesse locale du fluide pour cette sous-région du plan.

En répétant cette comparaison pour toutes les zones d'intérêt du plan éclairé, on obtient un champ vectoriel complet décrivant la vitesse du fluide en chaque point de ce plan, révélant d'un seul coup comment l'air se déplace autour de l'aile de l'insecte à l'instant capturé.

À partir de ce champ vectoriel complet, la vorticité du fluide en chaque point peut être calculée par différenciation numérique – c'est-à-dire, l'amplitude et le sens de la rotation locale du fluide autour de ce point. Cette vorticité permet d'identifier les vortex qui se forment autour de l'aile de l'insecte, notamment le vortex de bord d'attaque, une structure tourbillonnaire concentrée qui se forme juste au-dessus du bord d'attaque de l'aile et qui est essentielle à la portance de l'insecte. Une intégrale de circulation quantifie l'intensité de chacun de ces vortex. À partir de cette intensité, la méthode de l'impulsion tourbillonnaire permet d'estimer la force aérodynamique totale générée par l'aile de l'insecte en vol, sans qu'il soit nécessaire de fixer une quelconque balance mécanique directement sur l'insecte. Ceci est particulièrement précieux du fait de la taille infime de l'insecte : tout capteur fixé directement sur lui perturberait son vol naturel, tandis que le fluide enrichi en particules et observé à l'aide d'un laser et d'une caméra révèle la même force aérodynamique sans aucun contact avec l'insecte.

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