Micro-anemometry for aerodynamics: development and application to the measurement of aerothermal turbulence
Micro-anémométrie pour l’aérodynamique : développement et application à la mesure de la turbulence aérothermique
Résumé
Turbulence is an important phenomenon present in many flows, whether natural or industrial, and is characterized by a wide variety of spatial and temporal scales. It is therefore of particular interest to develop metrological means adapted to the measurement of physical quantities such as velocity and temperature fluctuations to better understand and characterize it.
In the context of aerodynamic measurements, the sensors most commonly used today are the hot wire anemometer for velocity measurements and the cold wire thermometer for temperature measurements. However, these two means of measurement have some limitations. Indeed, it has been shown that if the length of their sensitive element is too long compared to the characteristic scales of the flow, then these probes operate a spatial filtering of the smallest scales of turbulence, yet necessary to the complete resolution of this type of flow. Faced with this observation, this thesis work asks the question of the possibility of an improvement of these two metrological means. Because of their limitations, the main improvement considered is the reduction of the size of their sensitive element by relying on micro-fabrication techniques, thus allowing to increase the range of measurable spatial scales in a turbulent flow. Moreover, in the context of the characterization of aerothermal flows, it appears to be of interest to be able to carry out simultaneous measurements of velocity and temperature fluctuations. It is thus envisaged to use the technologies of measurement by hot wire and cold wire to carry out this.
This study consists in the development of thermo-resistive micro-sensors allowing to postpone the limit of detection of the small scales contained in a turbulent flow. The first objective is to develop functional probes allowing to realize anemometric or thermometric measurements to then turn to a second objective aiming at developing a sensor of the same type but carrying out these two measurements in a simultaneous way.
To reach these objectives, it was first a question of making a relevant choice on the materials used as well as studying different processes of micro-fabrication, in particular of silicon etching. This allowed to realize different geometries of micro-sensor in order to identify the most appropriate for measurements in turbulent flow. In order to quantify their capacity to measure velocity fluctuations, these new sensors were used for turbulent boundary layer measurements, with particular attention paid to the control of the experimental protocol. The results obtained have been compared to different semi-empirical models as well as to measurements performed with classical hot-wire probes. In order to observe the performance of the micro-sensors for temperature measurements, a specific experimental bench has been designed to evaluate their frequency responses. Finally, the first prototypes of micro-probes allowing to realize simultaneous measurements of speed and temperature were tested.
La turbulence est un phénomène important présent dans de nombreux écoulements, qu’ils soient naturels ou à application industrielle, et qui se caractérise notamment par une grande variété d’échelles spatiales et temporelles. Il est donc d’un intérêt particulier de développer des moyens métrologiques adaptés à la mesure des différentes grandeurs physiques permettant de mieux appréhender et caractériser celle-ci.
Dans le cadre de mesures aérodynamiques, les capteurs les plus communément employés encore aujourd’hui sont ainsi l’anémomètre à fil chaud pour des mesures de vitesses et le thermomètre à fil froid pour les mesures de température. Cependant ces deux moyens de mesures présentent des limitations. En effet, il a été montré que si la longueur de leur élément sensible est trop grande en comparaison des échelles caractéristiques de l’écoulement alors ces sondes opèrent un filtrage spatial des plus petites échelles de turbulence, pourtant nécessaires à la résolution complète de ce type d’écoulement. Devant ce constat, ces travaux de thèse se posent pour question la possibilité d’une amélioration de ces deux moyens métrologiques. De par les limitations qu’ils rencontrent, l’axe d’amélioration principal considéré réside dans la réduction de la taille de leur élément sensible en s’appuyant sur les techniques de la micro-fabrication, permettant ainsi d’augmenter la gamme d’échelles spatiales mesurables dans un écoulement turbulent. De plus, dans le cadre de la caractérisation d’écoulements aérothermiques, il apparait comme d’intérêt de pouvoir effectuer des mesures simultanées de vitesse et de température. Il est donc envisagé d’utiliser les technologies de mesure par fil chaud et fil froid pour réaliser ceci.
Cette étude consiste donc au développement de micro-capteurs thermorésistifs permettant de repousser la limite de détection des petites échelles contenues dans un écoulement turbulent. Le premier objectif est de réaliser des sondes fonctionnelles permettant de réaliser des mesures anémométriques ou thermométriques pour ensuite se tourner vers un second objectif visant à développer un capteur du même type mais effectuant ces deux mesures de façon simultanée.
Pour atteindre ces objectifs, il a été premièrement question d’effectuer un choix pertinent sur les matériaux utilisés ainsi que d’étudier différents procédés de micro-fabrication, notamment de gravure du silicium. Ceci a alors permis de réaliser différentes géométries de micro-capteurs dans le but de mener une étude sur leur intrusivité. Afin de quantifier leur capacité à mesurer des fluctuations de vitesses, ces nouveaux capteurs ont été utilisés pour des mesures en couche limite turbulente, une attention particulière ayant été portée sur la maitrise du protocole expérimental. Les résultats obtenus ont été comparés à différents modèles semi-empiriques ainsi qu’à des mesures effectuées avec des sondes à fil chaud classiques. Dans l’objectif d’observer la performance des micro-capteurs pour des mesures de température, un banc expérimental spécifique permettant d’évaluer leurs réponses fréquentielles a de plus été conçu. Enfin, des premiers prototypes de micro-sondes permettant de réaliser des mesures simultanées de vitesse et de température ont été testés.
Origine | Version validée par le jury (STAR) |
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