Sonde à cinq trous pour la mesure de l’écoulement de l’air (guide)

Par Ehab Mokhtar

La mesure précise du flux d’air commence souvent par des mesures ponctuelles, mais comprendre son comportement dans l’espace nécessite une autre approche.

Une sonde de pression à 5 trous permet de mesurer à la fois la vitesse et la direction du vent. Associées au suivi de position et à la visualisation en temps réel, ces mesures peuvent être assemblées pour reconstituer un champ d’écoulement complet.

Cet article explique comment utiliser une sonde à 5 trous pour mesurer le flux d’air et cartographier un champ d’écoulement, en prenant le WindProbe 3D comme exemple pratique.

Figure 1 : WindProbe 3D cartographiant le champ d’écoulement autour d’une hélice de drone

Table des matières

1. Qu’est-ce que la cartographie du flux d’air ?

2. Fonctionnement des sondes de pression multiorifices

3. Système de mesure du flux d’air : WindProbe 3D

4. Conseils pour obtenir des cartes d’écoulement de meilleure qualité

5. Autres systèmes de mesure du flux d’air

Qu’est-ce que la cartographie du flux d’air ?

En mesure du flux d’air, la cartographie d’un champ d’écoulement consiste à mesurer la vitesse et la direction du vent dans une zone de l’espace à l’aide d’un capteur tel qu’une sonde de pression à 5 trous. Au lieu de recueillir des mesures ponctuelles isolées, l’objectif est de reconstituer le comportement spatial de l’écoulement, sur un plan ou dans un volume 3D.

Cette approche est couramment utilisée pour :

• Caractériser les sillages et les interactions entre écoulements

• Comparer les données expérimentales aux résultats de CFD

• Mesurer la distribution de la vitesse et de la direction du vent

• Repérer les écoulements autour d’un objet aérodynamique

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Figure 2 : Interface de cartographie du flux d’air dans le logiciel WindVision

Fonctionnement des sondes de pression multiorifices

Une sonde de pression multiorifices mesure la pression au niveau de plusieurs orifices répartis autour de son extrémité. À partir de ces pressions, il est possible de déterminer la vitesse et la direction locales de l’écoulement, ce qui fournit un vecteur vitesse complet à chaque point de mesure.

Les sondes multiorifices sont particulièrement adaptées à la mesure du flux d’air, car elles :

• Mesurent à la fois la vitesse du vent et la direction de l’écoulement

• N’exigent pas un alignement parfait entre l’extrémité de la sonde et la direction de l’écoulement

• Offrent une solution compacte pour mesurer les écoulements autour d’objets

Associée au suivi de position, chaque mesure effectuée par la sonde à 5 trous peut être localisée avec précision, ce qui permet :

• De repositionner facilement la sonde pendant le balayage

• D’effectuer un échantillonnage spatial dense sans système de déplacement mécanique

Système de mesure du flux d’air : WindProbe 3D

WindProbe 3D est un système de mesure et de visualisation du flux d’air articulé autour de quatre éléments coordonnés :

• Sonde de pression à 5 trous : mesure la pression, la vitesse et la direction de l’écoulement

• Système de capture de mouvement : suit la position et l’orientation de la sonde dans l’espace 3D

• Mur de vent WindShaper : réseau modulaire de ventilateurs commandés individuellement qui génère des flux d’air reproductibles et programmables

• Logiciel WindVison : synchronise ces flux de données et affiche en temps réel le flux d’air résultant sous la forme d’un champ d’écoulement 3D.

 

Les mesures peuvent être enregistrées pour une analyse ultérieure, exportées pour un post-traitement ou comparées directement aux données de CFD.

À découvrir : Comment la poussée diminue lorsque la vitesse du vent augmente

Figure 5 : Système de caméras de suivi du mouvement

Vue d’ensemble du processus

1. Définissez les conditions de vent souhaitées à l’aide du mur de vent WindShaper.

2. Vérifiez que la sonde à 5 trous et le système de suivi de mouvement sont connectés.

3. Effectuez le zéro de la sonde avant l’acquisition des données.

4. Définissez le volume de mesure et la résolution des voxels.

5. Déplacez la sonde dans la zone d’intérêt pour recueillir des données.

6. Vérifiez la couverture et effectuez un nouveau balayage des zones au besoin.

7. Exportez les données de mesure pour les analyser.

Considérations relatives à la configuration du système

Le système WindProbe 3D est conçu pour être facile à utiliser et rapide à déployer :

• La sonde à 5 trous est préétalonnée et porte le marquage CE

• Un seul câble USB assure l’alimentation et la transmission des données

• La plage de vitesse standard est de 2 à 20 m/s ; d’autres plages sont disponibles

• Les marqueurs de position doivent être placés et étalonnés avant le premier essai
• Le volume de mesure doit être défini

Volume de mesure et résolution des voxels

Le volume de mesure délimite la zone dans laquelle les données du flux d’air sont recueillies. Le logiciel WindVision divise ce volume en voxels, qui déterminent la résolution spatiale :

• Des voxels plus petits permettent de distinguer des structures d’écoulement plus fines

• Des voxels plus grands réduisent le temps d’acquisition, mais estompent les détails

La taille des voxels doit correspondre à l’échelle des caractéristiques de l’écoulement mesurées.

Figure 6 : Réglage de la résolution des voxels dans le logiciel WindVision

Types de données et formats d’exportation

Les données peuvent être exportées depuis le logiciel WindVision dans l’un de ces deux formats : CSV et VTK.

Données de mesure brutes (CSV) : contiennent des mesures de la vitesse du vent horodatées et associées à des coordonnées spatiales. Ce format est utile pour :

• Le traitement et le filtrage personnalisés

• L’analyse temporelle

• Le retraitement avec différents réglages de voxels

Données du champ d’écoulement (VTK)

Les données du champ d’écoulement moyennées par voxel sont exportées au format VTK, qui convient pour :

• La visualisation et la découpe en tranches 3D

• La comparaison avec les résultats de CFD

• Le partage des données et la collaboration

Conseils pour obtenir des cartes d’écoulement de meilleure qualité

• Concentrez-vous sur les zones présentant de forts gradients d’écoulement : consacrez plus de temps aux sillages et aux couches de cisaillement.

• Déplacez la sonde en douceur : plusieurs passages augmentent le nombre d’échantillons par voxel.

• Veillez à bien orienter la sonde : maintenez la sonde à 5 trous dans sa plage angulaire d’acceptation.

• Choisissez la bonne configuration : adaptez l’extrémité de la sonde et sa plage de vitesse aux conditions d’essai.

Pour aller plus loin : Fonctionnement du WindShaper

Autres systèmes de mesure du flux d’air

La cartographie d’un champ d’écoulement est possible avec les outils de mesure du vent traditionnels, mais la production de données à résolution spatiale nécessite généralement des mesures point par point et une infrastructure supplémentaire.

Deux des principales méthodes traditionnelles sont présentées ci-dessous.

Mesures robotisées ou par système de déplacement

Cette méthode consiste à monter un capteur de vent, tel qu’une sonde multiorifices ou un anémomètre à fil chaud, sur un bras robotisé, un rail linéaire ou un système de déplacement.

Cette méthode nécessite généralement de :

• Définir à l’avance chaque point de mesure

• Déplacer le capteur avec précision à chaque emplacement

• S’arrêter à chaque point pour recueillir les données

Cette méthode offre une bonne précision de positionnement, mais présente certains compromis :

• Coût élevé et configuration complexe en raison des systèmes robotisés ou sur rail

• Temps d’acquisition longs en raison du fonctionnement par arrêts et mesures successifs

• Résolution spatiale limitée afin de maintenir une durée d’essai raisonnable

• Jeux de données fragmentés qui nécessitent une attribution spatiale manuelle lors du post-traitement

Mesures manuelles avec sonde portable ou sur support

Une autre approche consiste à déplacer manuellement le capteur, à la main ou à l’aide d’un simple support, en s’arrêtant à chaque emplacement pour prendre une mesure.

Dans ce cas, la sonde est maintenue immobile pendant l’enregistrement des données et sa position est estimée ou consignée manuellement.

Cette méthode réduit la complexité du matériel, mais présente d’autres limites :

• Faible répétabilité en raison du positionnement à main levée

• Précision de positionnement moindre par rapport aux systèmes guidés

• Résolution spatiale réduite pour limiter la durée totale des mesures

• Post-traitement plus laborieux pour associer une position à chaque mesure
  
  

Mesure continue avec suivi de position

À l’inverse, un système moderne comme WindProbe 3D, qui associe mesure continue et suivi de position :

• Enregistre les données de vitesse en continu lorsque la sonde se déplace dans l’espace

• Associe chaque mesure à un emplacement en temps réel

• Indique à l’utilisateur si l’échantillonnage des données est correct ou non

• Utilise l’interpolation pour combler les zones peu échantillonnées

• Affiche le champ d’écoulement en direct, avec une couleur indiquant la vitesse locale de l’écoulement

Cette approche remplace l’acquisition point par point par un échantillonnage spatial continu, rendant la cartographie haute résolution des écoulements pratique et reproductible.

Figure 7 : WindProbe 3D balayant le champ d’écoulement autour d’un drone

Résumé

Une sonde de pression à 5 trous est un outil puissant pour mesurer le flux d’air, car elle capte à chaque point de l’espace à la fois la vitesse et la direction du vent. Associées au suivi de position, à la visualisation en temps réel et à une source de vent programmable telle qu’un mur de vent, ces mesures peuvent être assemblées pour reconstituer un champ d’écoulement complet.

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