Par Adam Kahraman
Lors d’essais en soufflerie, vous souhaiteriez probablement que l’air soit visible. Imaginez pouvoir observer les écoulements laminaires et turbulents au fur et à mesure qu’ils se produisent, sans les désagréments de la fumée ni la nécessité de lancer une simulation numérique complexe. Et s’il existait un outil vous permettant de « voir » le vent en temps réel ?
Le WindProbe a été conçu pour répondre à ce souhait. Il capte les profils de vent avec une haute résolution temporelle sous de multiples angles, tandis qu’un système intégré de suivi de mouvement indique précisément où la mesure a été effectuée.
Dans cet article, nous présentons les cas d’utilisation de l’outil, son fonctionnement et les avantages pratiques qu’il offre pour optimiser vos essais en soufflerie.
Table des matières
1. Introduction
2. Problèmes courants liés à la mesure du vent
3. Fonctionnement du WindProbe 3D
4. Application pratique : simulation d’un vent cisaillé
5. Conclusion
Figure 1 : Vue d’ensemble du WindProbe avec réflecteurs de suivi de mouvement visibles
Problèmes courants liés à la mesure du vent
Il existe plusieurs méthodes de visualisation des écoulements, comme l’utilisation d’une machine à fumée, de lasers ou de toupets. Chacune présente ses avantages et ses inconvénients, mais leur principale limitation réside dans le fait qu’elles reposent principalement sur l’observation visuelle plutôt que sur la production de données quantitatives.
La mesure du flux d’air autour d’un objet spécifique soulève d’autres difficultés.
- L’installation doit être adaptée à la forme de l’objet.
- Les toupets doivent être fixés à sa surface.
- La fumée doit être dirigée vers des points précis autour de l’objet.
- Les sondes doivent être disposées autour de l’objet.
La soufflerie est également couramment utilisée pour valider les résultats de simulations numériques, mais cette tâche présente elle aussi ses difficultés.
- De légères différences dans la configuration physique peuvent amener le flux d’air réel à se comporter différemment de ce qui est prédit par la simulation.
- Il n’existe aucune méthode simple pour vérifier si les deux correspondent réellement.
- Sans moyen de mesurer l’intégralité du profil de vent, vous devez supposer que le transfert des données est exact.
Fonctionnement du WindProbe 3D
Malgré la complexité des problèmes qu’il résout, le WindProbe lui-même présente une conception simple. Il s’agit d’un capteur de pression multipor avec cinq orifices à son extrémité et un cône d’acceptation de 40 degrés.
Figure 2 : WindProbe avec cône d’acceptation de 40° représenté à l’échelle
Le cône d’acceptation permet au WindProbe de mesurer le vent frappant son extrémité sous différents angles et de capter les vecteurs de vitesse selon les axes x, y et z. Contrairement à un tube de Pitot, qui ne mesure que le vent s’écoulant directement en son entrée, cette conception multipor capte des données dans une large gamme de directions. Cette caractéristique est indispensable pour mesurer le vent dans des conditions turbulentes.
Le WindProbe possède une fréquence d’acquisition de 200 Hz. Cette résolution temporelle permet de saisir les variations subtiles de la vitesse du vent et d’éviter de manquer des données entre les mesures.
Voici une vidéo montrant le WindProbe en action :
La sonde est livrée précalibrée et se connecte facilement à un WindShaper à l’aide d’un seul câble USB assurant la communication et l’alimentation. Selon le modèle, la sonde peut mesurer des vitesses de vent allant de 1 m/s à 60 m/s.
Le suivi spatial du WindProbe vous permet de déplacer la sonde pendant l’enregistrement des données et de représenter les valeurs recueillies dans un espace 3D. Il est ainsi possible de cartographier le profil de vent sur l’ensemble de la section d’essai, aussi bien le long de l’axe de l’écoulement que selon les axes verticaux et horizontaux d’un plan donné. Plutôt que de mesurer en un seul point, l’intégralité du champ de vent de la section d’essai peut être captée. De plus, des mesures du vent peuvent être effectuées autour de tout objet placé dans la section d’essai, qu’il s’agisse d’une hélice, d’un profil aérodynamique ou d’un drone.
Figure 3 : WindProbe captant les données du vent en temps réel tout en étant suivi en 3D
Le WindProbe peut être suivi en 3D grâce aux marqueurs de capture de mouvement placés le long de son bras. Associé à des caméras de capture de mouvement, le système détermine avec précision la position de la sonde dans l’espace 3D.
Figure 4 : marqueurs de capture de mouvement OptiTrack sur le WindProbe
Les mêmes marqueurs sont placés sur le WindShaper, permettant au logiciel de suivre la position de la sonde par rapport à la source de vent.
Figure 5 : marqueurs de capture de mouvement OptiTrack sur le WindShaper
Logiciel WindVision
Toutes les données du WindProbe sont traitées par le logiciel WindVision, qui gère le suivi, les mesures et la visualisation des données. Pour vous aider à positionner la sonde là où elle doit être, celle-ci est équipée d’une bande LED intégrée qui sert de guide en temps réel. Lorsque vous définissez un plan de mesure dans le logiciel, les LED changent de couleur selon votre position : rouge lorsque vous êtes loin, jaune à mesure que vous vous rapprochez et vert lorsque vous vous trouvez exactement sur le plan.
Figure 6 : bande LED du WindProbe s’allumant en rouge, jaune et vert
WindVision peut exporter les données sous forme de fichiers .csv ou .vtk, que vous pouvez ouvrir et analyser dans un logiciel tel que ParaView. Dans WindVision, vous définissez les dimensions de la section d’essai et du plan de mesure.
Le logiciel vous permet également d’ajuster la résolution spatiale de ce plan de mesure. Le plan est divisé en unités appelées voxels. Tout comme la taille et la résolution d’une image 2D sont définies par des pixels, un voxel est une représentation 3D d’une valeur dans l’espace. Augmenter la résolution, c’est-à-dire le nombre de voxels, offre une plus grande précision des données et des informations plus détaillées. Réduire la résolution permet d’effectuer la mesure plus rapidement en remplissant moins de voxels, offrant ainsi un aperçu plus large de l’écoulement.
Le système peut mesurer les vecteurs de vitesse dans des volumes aussi petits que 1 cm³. Avec ce réglage minimal, vous pouvez travailler avec jusqu’à 27 millions de voxels dans votre plan de mesure, offrant une représentation très détaillée du profil de vent.
Application pratique : simulation d’un vent cisaillé
Imaginons que vous conceviez un drone destiné à nettoyer les vitres des immeubles de grande hauteur. La vitesse du vent augmente souvent avec l’altitude, si bien que les étages supérieurs des immeubles de grande hauteur sont exposés à des vents beaucoup plus forts. Lorsque ce vent frappe l’immeuble, il crée d’importants gradients de vitesse pouvant générer un cisaillement du vent difficile à surmonter pour un drone.
Avant d’effectuer un tel vol au-dessus d’une zone à forte densité urbaine avec des vitres coûteuses, l’opérateur du drone peut vouloir s’entraîner dans ces conditions sans risquer d’endommager le drone ou l’immeuble.
Figure 7 : image générée par ordinateur représentant du vent frappant la façade d’un immeuble (source)
Heureusement, cet environnement peut être facilement reproduit à l’aide d’un WindShaper. Pour une configuration de 2x2 modules comme celle présentée sur la figure ci-dessous, vous pouvez faire fonctionner les modules de gauche à 2 m/s et ceux de droite à 6 m/s. Cela crée un gradient prononcé entre les deux côtés, simulant un cisaillement du vent. Le WindProbe vous permet ensuite de visualiser le profil de vent généré par le WindShaper.
Figure 8 : logiciel WindVision montrant clairement le cisaillement du vent généré par le WindShaper
En plaçant le WindProbe devant les ventilateurs, vous pouvez commencer à recueillir des données. À mesure que vous déplacez la sonde sur le plan, le logiciel génère automatiquement une visualisation en temps réel du profil de vent.
L’étape suivante consiste à faire voler votre drone de gauche à droite devant la machine afin d’observer comment il réagit dans ces conditions et de vous entraîner à le récupérer.
Conclusion
Le WindProbe offre aux ingénieurs et aux chercheurs une approche unique de la mesure 3D du vent, transformant l’air invisible en données exploitables. Il permet d’atteindre un niveau de vérification jusqu’alors impossible sans équipement complexe et coûteux. En combinant la mesure de pression multipor et le suivi de mouvement, il demeure le seul outil disponible sur le marché capable de cartographier en temps réel un profil de vent 3D complet.
Figure 9 : WindProbe 3D cartographiant le champ d’écoulement derrière un drone à voilure fixe