Vélocimétrie à flot optique : optimisation, évaluation comparative et application à l'identification, à la modélisation et au contrôle des systèmes de écoulements de cisaillement

An integrated and fruitful journey of an Optical Flow Velocimetry system in various fluid mechanics study cases is presented: From its development and benchmarking, to the application of its results in instability analysis, modelling, dynamics prediction and control of shear flows. Regarding development, the software (algorithm, Graphics User Interface) and hardware parts (camera, workstation, laser) part of the system are presented and discussed.Furthermore, the system is benchmarked on various experimental and synthetic fluidic datasets. We explore its spatial precision from simple step displacements test-cases, to synthetic homogeneous isotropic turbulence datasets and then grid-generated turbulence and finally a bluff body turbulent wake. After the advantages regarding spatial resolution and computational speed of the system comparing to other state-of-the-art velocimetry systemsare presented, a novel pressure reconstruction method is described and validated using the global turbulent kinetic energy budget in the turbulent wake of a D-shaped body, resolving scales down to the sub-Kolmogorov range. Then, Optical Flow measurements are used for modelling and system identification of two experimental datasets: On one hand the forced Turbulent Boundary Layer of a flat plate and on the other the Backward-Facing Step flow,for a maximum Reh = 3090. Modern data-driven methods are utilised for this purpose: a statistical learning approach and a Neural Network machine-learning approach. Last but not least, more light on the 3D instability of the Backward-Facing Step is shed as well, followedby a novel open-loop control strategy to reduce the volume of the recirculation bubble. Sucha full exploitation of a velocimetry system shares crucial insight on the importance of experimental,non intrusive methods such as Optical Flow Velocimetry, in the study of complexflows; flows that are often extremely costly or impossible to resolve numerically.Un parcours intégré et fructueux d’un système de vélocimétrie à flux optique dans divers cas d’étude de la mécanique des fluides est présenté : depuis son développement et son évaluation comparative, jusqu’à l’application de ses résultats dans l’analyse de l’instabilité, la modélisation, la prédiction de la dynamique et le contrôle des écoulements cisaillés. En ce qui concerne le développement, le logiciel (algorithme, interface utilisateur graphique)et les composants matériels (caméra, station de travail, laser) du système sont présentés et discutés. En outre, le système est évalué sur divers ensembles de données fluidiques expérimentales et synthétiques. Nous explorons sa précision spatiale à partir de cas tests de simples déplacements par paliers, d’ensembles de données synthétiques de turbulence isotrope homogène, puis de turbulence générée par grille et enfin d’un sillage turbulent d’un corps bluffant. Après avoir présenté les avantages du système en termes de résolution spatiale et de vitesse de calcul par rapport à d’autres systèmes de vélocimétrie de pointe, une nouvelle méthode de reconstruction de la pression est décrite et validée en utilisant le bilan global de l’énergie cinétique turbulente dans le sillage turbulent d’un corps en forme de D, en résolvant les échelles jusqu’au domaine sub-Kolmogorov. Ensuite, les mesures de flux optique sont utilisées pour la modélisation et l’identification du système de deux ensembles de données expérimentales : D’une part, la couche limite turbulente forcée d’une plaque plane et, d’autre part, l’écoulement de la marche descendante, pour un maximum de Reh = 3090. Des méthodes modernes basées sur les données sont utilisées à cette fin :une approche d’apprentissage statistique et une approche d’apprentissage automatique par réseau neuronal. Enfin, l’instabilité tridimensionnelle de la marche descendante est également mise en lumière, suivie d’une nouvelle stratégie de contrôle en boucle ouverte visant à réduire le volume de la bulle de recirculation. Une telle exploitation complète d’un système de vélocimétrie nous donne un aperçu crucial de l’importance des méthodes expérimentales et non intrusives telles que la vélocimétrie optique dans l’étude des écoulements complexes,qui sont souvent extrêmement coûteux ou impossibles à résoudre numériquement