Essais & Simulations n°115

Mesures et Methodes de

Mesures et Methodes de Mesure spectre d'un phénomène physique – NDLR], le diagnostic par imagerie et les techniques optiques pour les sciences du vivant ». Autre domaine de recherche abordé, mais qui peine à se frayer un chemin en France : la photonique. « Ce domaine est encore trop peu reconnu dans l'Hexagone alors même qu'il a été considéré – à juste titre – par le 7e PCRD comme une ''science du futur''. D'ailleurs, contrairement à la France, l'Allemagne la considère comme une priorité nationale ! ». Il existe une diversité infinie d'applications de la photonique et « la photonique doit occuper en France la place qu'elle mérite ». Des développements sont également en cours dans la microscopie et la nanoscopie, domaines qui s'orientent de plus en plus vers la nano-photonique et l'observation d'éléments « extrêmement minuscules. Ces recherches s'appliquent pour l'essentiel au médical et aux sciences du vivant mais elles peuvent également s'adresser au contrôle de qualité et de process de production, aux évolutions de sources d'éclairage ou à la métrologie optique ». Ouvrir des applications nouvelles pour répondre aux besoins de l'industrie Regroupant cette année une quinzaine d'exposants et près de 200 visiteurs, le colloque CMOI/SFO sera une nouvelle fois couplé avec le congrès français du club Fluvisu/SFO*, présidé par Jean-Michel Desse, ingénieur-chercheur à l'Onera depuis 1978. Précédent organisateur du colloque CMOI-Fluvisu qui s'est déroulé à Lille à la fin novembre 2011 (voir encadré), Jean-Michel Desse est spécialisé dans le domaine de l'aérodynamique appliquée et l'analyse des écoulements par voie optique pour la mesure de champ d’indice de réfraction développée autour de techniques telles que l'holographie image et numérique à plusieurs longueurs d'ondes. Les méthodes de diagnostic optique en mécanique des fluides touchent de très nombreux domaines, à partir du moment où l'on est en capacité de visualiser un écoulement, par des moyens optiques ou corrélés à des outils de simulation numérique. Outre l'aérodynamique et l'énergétique, cette branche de la recherche concerne des secteurs innovants comme les sciences de l'environnement et de la terre, à l'exemple des diagnostics effectués en météorologie. Elle s'adresse également à l'aéronautique ou à des activités plus spécifiques telles que la découpe laser plasma et l’étude et le contrôle de la qualité des pièces optiques ou encore en microscopie, l’identification des bactéries dans le secteur pharmaceutique ou l’analyse des virus dans le domaine des sciences du vivant. « Nous intervenons régulièrement dans le cadre de projets ANR ou de programmes européens comme actuellement où nous travaillons sur le développement d'outils métrologiques en 3D ; l'objectif est de pouvoir être en mesure de visualiser les écoulements tridimensionnels à partir d’informations enregistrées simultanément et suivant plusieurs directions de visée derrière une structure d'avion ou de missile par exemple ». Jean-Michel Desse énumère bien d'autres domaines d'applications industrielles, dans le cadre notamment de la détection de défaut sur les chaînes de production, à commencer par le contrôle de pièce, les écoulements diphasiques, le recours à la fibre optique, la corrélation d'images, la mesure de vitesse etc. « De nombreux industriels résolvent leurs problèmes de manière intuitive alors que des méthodes optiques leur feraient gagner beaucoup de temps et amélioreraient considérablement la qualité de leur produit. À titre d'exemple, les tests sur les préservatifs sont effectués en gonflant les produits à l'hélium puis en les passant devant un interféromètre que l'on installe directement sur la chaîne de fabrication ». Il en est de même pour qualifier l’écoulement d’air produit par les sèche-cheveux : « pour visualiser le jet d'air afin que l'appareil ait une meilleure efficacité » Olivier Guillon * Le club Fluvisu a pour mission la promotion de méthodes de diagnostic optique en mécanique des fluides, soit à travers la création de nouvelles méthodes, soit par l'optimisation ou l'amélioration des méthodes existantes. Le club a également pour objectif de favoriser les échanges scientifiques et techniques ; le congrès Fluvisu étant le point d'orgue de ces échanges et des rencontres associées. Retour sur la précédente édition lilloise En 2011 à Lille, le colloque a rassemblé plus de 200 participants sur les trois jours de conférence (du 22 au 24 novembre) ainsi qu’une trentaine de stands, quatre tables top et une quinzaine de posters. C’est au total quatre-vingt conférences qui ont été dispensées avec deux conférences invitées : celle du professeur Nikita Fomin (Luikov Heat and Mass Transfer Institute de Minsk, Biélorussie) et celle du professeur Fulvio Scarano (Aerospace Engineering Department, Delft University of Technology, Delft – NL). Le colloque a également donné lieu à six conférences introductives et une quinzaine d’affiches (posters). Le vendredi matin, les participants ont visité le centre de l’Onera-Lille avec des installations uniques comme la soufflerie de vrille, la station de catapulte (vol libre), la tour de crash et quelques souffleries subsonique et transsonique. Le colloque a reçu l’aide de plusieurs subventions provenant notamment de la région Nord-Pas-de-Calais, de la Communauté urbaine de Lille, du ministère de la Recherche, de l’Onera et de l’École des Mines de Douai. Essais & Simulations • OCTOBRE 2013 • PAGE 10

Mesures et Methodes de Mesure Outil Vérification expérimentale de modèles opto-thermo-élastiques simulés avec le logiciel OOFELIE Multiphysics Le but de ce travail est de comparer les prédictions du logiciel OOFELIE Multiphysics, développé par la société Open Engineering et coordinateur du projet, avec les résultats obtenus sur un banc de test afin d’en déduire des possibles améliorations à apporter au logiciel. Pour ce faire, deux systèmes optiques sont définis et modélisés dans OOFELIE. Le premier se compose d’une lentille sphérique en BK7 maintenue dans une monture en aluminium et chauffée à l’aide de résistances chauffantes. Les effets des contraintes thermo-mécaniques induites par la variation de température sur les performances optiques de la lentille sont mesurés par interférométrie. Le deuxième système optique est un barreau de cristal YAG chauffé à l’aide d’un four adapté. Pour ce cas test, des mesures interférométriques et polarimétriques sont réalisées. Les premières servent à mesurer la modification de géométrie du barreau au niveau des dioptres d’entrée et de sortie due à l’effet de lentille. Les secondes ont pour but de déterminer le changement de polarisation lié à la biréfringence induite par les contraintes mécaniques au sein du barreau. Les bancs de test respectifs et leurs résultats sont décrits ci-dessous et comparés aux résultats des simulations d’OOFELIE. Ce travail a été réalisé dans le cadre du projet Multiphysics et financé par la Région Wallonne (Belgique). Ce projet profite d’une importante collaboration entre des concepteurs de logiciels informatiques, des centres de recherche, des universités et des industriels tous situés en Wallonie. Son but est de développer un logiciel complet et innovant capable de modéliser des systèmes complexes faisant intervenir des interactions multiphysiques couplées. OOFELIE Multiphysics OOFELIE Multiphysics est un outil de modélisation numérique capable d'adresser des problèmes multiphysiques couplés, incluant les domaines optique, mécanique, thermique, fluidique, électrique, électromagnétique, acoustique,…[1] (se référer à l'encadré en bas de l'article). La solution OOFELIE est couplée avec le logiciel de simulation optique ZEMAX via une communication complètement automatisée. L’analyse approfondie des performances optiques de systèmes opto-thermo-mécaniques sous contraintes est dès lors possible, améliorant ainsi le design des systèmes optiques. Cas de test de la lentille sphérique La lentille sphérique est en BK7 et biconvexe. Elle présente une focale de 200 mm et un diamètre de 50 mm. La monture est en aluminium anodisé noir et maintient la lentille en place grâce à un anneau vissé dans la monture. La lentille et sa monture sont issues du commerce. La lentille (dans sa monture) est tenue devant l’interféromètre à l’aide d’une pince associée à une monture 5 axes pour permettre l’alignement de la lentille. La lentille est chauffée à l’aide de deux résistances chauffantes (ou heaters) collées sur la monture. Des thermocouples sont placés sur la monture afin de surveiller l’évolution de la température pendant les mesures. Une première série de mesures est réalisée pour évaluer la distribution de température sur la lentille en fonction de la température imposée sur la monture. Pour cela, des thermocouples sont collés sur chaque face de la lentille (au centre et au bord pour la face avant, au centre pour la face arrière). Ces derniers sont ensuite retirés pour permettre les mesures interférométriques. Les mesures de la dégradation des performances optiques de la lentille s’effectuent ensuite à l’aide de l’interféromètre. Un calibre sphérique d’ouverture F/3.3 est placé en sortie de l’interféromètre pour obtenir l’illumination de l’entièreté de la lentille. La lentille est installée dans le faisceau de l’interféromètre à une distance du point focal égale à sa longueur focale, ce qui rend le faisceau collimaté après avoir traversé la lentille. Un miroir plan de bonne qualité (λ/20) est placé derrière la lentille pour réfléchir ce faisceau collimaté, à travers la lentille, vers l’interféromètre. Figure 1 : WFE mesurées aux températures de 20.5°C et 57.2°C au centre de la lentille et soustraction de ces deux cartes. Les mesures interférométriques sont effectuées à température ambiante Essais & Simulations • OCTOBRE 2013 • PAGE 11