Three-dimensional reconstruction of particle holograms: a fast and accurate multiscale approach.

10 pagesInternational audienceIn-line digital holography is an imaging technique that is being increasingly used for studying three-dimensional flows. It has been previously shown that very accurate reconstructions of objects could be achieved with the use of an inverse problem framework. Such approaches, however, suffer from higher computational times compared to less accurate conventional reconstructions based on hologram backpropagation. To overcome this computational issue, we propose a coarse-to-fine multiscale approach to strongly reduce the algorithm complexity. We illustrate that an accuracy comparable to that of state-of-the-art methods can be reached while accelerating parameter-space scanning

Développement de méthodes instrumentales en vue de l'étude Lagrangienne de l'évaporation dans une turbulence homogène isotrope

Cette thèse est centrée sur le développement d outils expérimentaux permettant de mieux caractériser l étude du couplage entre l évaporation de gouttelettes et un écoulement turbulent gazeux environnant. Dans notre étude on cherche à se placer dans un régime de couplage fort entre les gouttelettes évaporantes et la turbulence. Dans ce régime peu renseigné dans la littérature, les gouttelettes se trouvent dans un régime intermédiaire entre le régime de traceur et le régime inertiel. Dans un premier temps nous présentons un dispositif expérimental capable de générer une turbulence homogène isotrope avec de fortes fluctuations de vitesse, ainsi que la réalisation de l injection de gouttelettes initialement monodisperses. Puis, l instrumentation Lagrangienne développée (en collaboration avec le laboratoire Hubert Curien de St Etienne) : l holographie numérique en ligne, est ensuite testée et validée pour un fluide non évaporant. Une méthode de tracking des gouttelettes a été mise au point afin de reconstruire les trajectoires des gouttelettes dans le volume turbulent homogène isotrope. La précision obtenue sur les diamètres (2% pour des gouttes de 60 m) vient complètement valider cette métrologie pour l étude de l évaporation. Les premiers résultats obtenus avec des gouttelettes évaporantes de fréon R114 font apparaître la visualisation, à notre connaissance inédite, des sillages évaporants. Une première reconstruction de trajectoire avec l évolution du diamètre de la goutte au cours du temps est enfin présentée.This experimental thesis is based on the developpement of experimental tools in order to better understand the coupling between evaporation process and turbulent flow. Our studies focuses on evaporating droplets with strong interaction with turbulent flow, i.e. droplets between fluid particles behaviour and inertial behaviour. This pecular situation is hardly studied regarding to scientific litterature. We first present experimental set up generating homogeneous isotropic turbulence with high Reynolds number and strong fluctuations. Then we present injection process of initially monodisperse droplets in the turbulent flow. Lagrangian instrumentation consists of the use of digital in-line holography (in collaboration with Laboratoire Hubert Curien à St Etienne). This metrology is definitely validated regarding to the accuracy on the droplet diameter measurements. Tracking algorithm is then proposed in order to reconstruct Lagrangian droplet trajectories. First results obtained with evaporating droplets are finally presented like evaporating trails, and time evolution of the diameter of a freon droplet.LYON-Ecole Centrale (690812301) / SudocSudocFranceF

Mesures d'accélération lagrangienne dans un écoulement anisotrope par vélocimétrie laser Doppler étendue

L'étude de la dynamique des particules dans un écoulement pleinement turbulent demande de pouvoir mesurer l'évolution temporelle de la vitesse de petites particules avec une grande résolution temporelle. Nous effectuons ce suivi par vélocimétrie laser Doppler étendue (ELDV), technique que nous illustrerons par l'étude de l'influence de taille des particules sur leur dynamique et la modification de la turbulence par l'ajout de particules lourdes dans un écoulement

Evaporating droplet hologram simulation for digital in-line holography setup with divergent beam

International audienceGeneralized Lorenz-Mie Theory (GLMT) for a multilayered sphere is used to simulate holograms produced by evaporating spherical droplets with refractive index gradient in the surrounding air/vapor mixture. Simulated holograms provide a physical interpretation of experimental holograms produced by evaporating Diethyl Ether droplets with diameter in the order of 50 μm and recorded in a digital in-line holography configuration with a divergent beam. Refractive index gradients in the surrounding medium lead to a modification of the center part of the droplet holograms, where the first fringe is unusually bright. GLMT simulations reproduce well this modification, assuming an exponential decay of the refractive index from the droplet surface to infinity. The diverging beam effect is also considered. In both evaporating and non evaporating cases, an equivalence is found between Gaussian beam and plane wave illuminations, simply based on a magnification ratio to be applied to the droplets' parameters

Instrumentations optique lagragienne pour l'étude de la granulométrie d'un écoulement chargé en particules

Nous présentons 2 instrumentations optiques permettant de mesurer, de manière Lagrangienne, la granulométrie d'un écoulement chargé en particules ou en gouttelettes. Un montage d'holographie numérique en ligne est présenté pour l'étude de l'évaporation de gouttelettes dans écoulement turbulent. Un montage d'ombroscopie PTV est mis en place pour étudier la dissolution de particules solides dans un écoulement de type Von Karman. De plus, ces 2 techniques ont aussi l'avantage d'offrir une visualisation dynamique du champ thermique ou de concentration dans le sillage des objets étudiés

Testing an in-line digital holography 'inverse method' for the Lagrangian tracking of evaporating droplets in homogeneous nearly isotropic turbulence

International audienceAn in-line digital holography technique is tested, the objective being to measure Lagrangian three-dimensional (3D) trajectories and the size evolution of droplets evaporating in high-Reλ strong turbulence. The experiment is performed in homogeneous, nearly isotropic turbulence (50 × 50 × 50 mm3) created by the meeting of six synthetic jets. The holograms of droplets are recorded with a single high-speed camera at frame rates of 1-3 kHz. While hologram time series are generally processed using a classical approach based on the Fresnel transform, we follow an 'inverse problem' approach leading to improved size and 3D position accuracy and both in-field and out-of-field detection. The reconstruction method is validated with 60 μm diameter water droplets released from a piezoelectric injector 'on-demand' and which do not appreciably evaporate in the sample volume. Lagrangian statistics on 1000 reconstructed tracks are presented. Although improved, uncertainty on the depth positions remains higher, as expected in in-line digital holography. An additional filter is used to reduce the effect of this uncertainty when calculating the droplet velocities and accelerations along this direction. The diameters measured along the trajectories remain constant within ±1.6%, thus indicating that accuracy on size is high enough for evaporation studies. The method is then tested with R114 freon droplets at an early stage of evaporation. The striking feature is the presence on each hologram of a thermal wake image, aligned with the relative velocity fluctuations 'seen' by the droplets (visualization of the Lagrangian fluid motion about the droplet). Its orientation compares rather well with that calculated by using a dynamical equation for describing the droplet motion. A decrease of size due to evaporation is measured for the droplet that remains longest in the turbulence domain

MESURES LAGRANGIENNES DE GOUTTES ÉVAPORANTES DANS UNE TURBULENCE HOMOGÈNE ISOTROPE PAR HOLOGRAPHIE NUMÉRIQUE

International audienceWe present an optical technique capable of measuring 3D trajectories and size evolution of a dilute flow of droplets dispersing in a high Reynolds number turbulence, from a Lagrangian point of view. The technique used is an in-line digital holographic set-up, with an original reconstruction algorithm based on an inverse-problem approach. The experiment has been performed with water and freon droplets in a locally well defined homogeneous, nearly isotropic, turbulence. This technique allows to visualise the thermal wakes behind the droplets which are tracked

Digital holography measurements of Lagrangian trajectories and diameters of evaporating droplets in homogeneous and isotropic turbulence

Cette thèse est centrée sur le développement d’outils expérimentaux permettant de mieux caractériser l’étude du couplage entre l’évaporation de gouttelettes et un écoulement turbulent gazeux environnant. Dans notre étude on cherche à se placer dans un régime de couplage fort entre les gouttelettes évaporantes et la turbulence. Dans ce régime peu renseigné dans la littérature, les gouttelettes se trouvent dans un régime intermédiaire entre le régime de traceur et le régime inertiel. Dans un premier temps nous présentons un dispositif expérimental capable de générer une turbulence homogène isotrope avec de fortes fluctuations de vitesse, ainsi que la réalisation de l’injection de gouttelettes initialement monodisperses. Puis, l’instrumentation Lagrangienne développée (en collaboration avec le laboratoire Hubert Curien de St Etienne) : l’holographie numérique en ligne, est ensuite testée et validée pour un fluide non évaporant. Une méthode de tracking des gouttelettes a été mise au point afin de reconstruire les trajectoires des gouttelettes dans le volume turbulent homogène isotrope. La précision obtenue sur les diamètres (2% pour des gouttes de 60 μm) vient complètement valider cette métrologie pour l’étude de l’évaporation. Les premiers résultats obtenus avec des gouttelettes évaporantes de fréon R114 font apparaître la visualisation, à notre connaissance inédite, des sillages évaporants. Une première reconstruction de trajectoire avec l’évolution du diamètre de la goutte au cours du temps est enfin présentée.This experimental thesis is based on the developpement of experimental tools in order to better understand the coupling between evaporation process and turbulent flow. Our studies focuses on evaporating droplets with strong interaction with turbulent flow, i.e. droplets between fluid particles behaviour and inertial behaviour. This pecular situation is hardly studied regarding to scientific litterature. We first present experimental set up generating homogeneous isotropic turbulence with high Reynolds number and strong fluctuations. Then we present injection process of initially monodisperse droplets in the turbulent flow. Lagrangian instrumentation consists of the use of digital in-line holography (in collaboration with Laboratoire Hubert Curien à St Etienne). This metrology is definitely validated regarding to the accuracy on the droplet diameter measurements. Tracking algorithm is then proposed in order to reconstruct Lagrangian droplet trajectories. First results obtained with evaporating droplets are finally presented like evaporating trails, and time evolution of the diameter of a freon droplet

Développement de méthodes instrumentales en vue de l'étude Lagrangienne de l'évaporation dans une turbulence homogène isotrope.

This experimental thesis is based on the developpement of experimental tools in order to better understand the coupling between evaporation process and turbulent flow. Our studies focuse on evaporating droplets with strong interaction with turbulent flow, i.e. droplets between fluid particles behaviour and inertial behaviour. This pecular situation is hardly studied regarding to scientific litterature. We first present experimental set up generating homogeneous isotropic turbulence with high Reynolds number and strong fluctuations. Then we present injection process of initially monodisperse droplets in the turbulent flow. Lagrangian instrumentation consists of the use of digital in-line ho- lography (in collaboration with Laboratoire Hubert Curien à St Etienne). This metrology is definitly validated regarding to the accuracy on the droplet diameter measurements. Tracking algorithm is then proposed in order to reconstruct Lagrangian droplet trajectories. Fisrt results obtained with evaporating droplets are finally presented like evaporating trails, and time evolution of the diameter of a freon droplet.Cette thèse est centrée sur le développement d'outils expérimentaux permettant de mieux caractériser l'étude du couplage entre l'évaporation de gouttelettes et un écoulement turbulent gazeux environnant. Dans notre étude on cherche à se placer dans un régime de couplage fort entre les gouttelettes évaporantes et la turbulence. Dans ce régime peu renseigné dans la littérature, les gouttelettes se trouvent dans un régime intermédiaire entre le régime de traceur et le régime inertiel. Dans un premier temps nous présentons un dispositif expérimental capable de générer une turbulence homogène isotrope avec de fortes fluctuations de vitesse, ainsi que la réalisation de l'injection de gouttelettes initialement monodisperses. Puis, l'instrumentation Lagrangienne développée (en collaboration avec le laboratoire Hubert Curien de St-Etienne) : l'holographie numérique en ligne, est ensuite testée et validée pour un fluide non évaporant. Une méthode de tracking des gouttelettes a été mise au point afin de reconstruire les trajectoires des gouttelettes dans le volume turbulent homogène isotrope. La précision obtenue sur les diamètres (2% pour des gouttes de 60 μm) vient complètement valider cette métrologie pour l'étude de l'évaporation. Les premiers résultats obtenus avec des gouttelettes évaporantes de fréon R114 font apparaître la visualisation, à notre connaissance inédite, des sillages évaporants. Une première reconstruction de trajectoire avec l'évolution du diamètre de la goutte au cours du temps est enfin présentée

L’holographie numérique pour la mesure 3D en mécanique des fluides

Des mesures 3D en mécanique des fluides sont requises pour recaler les modèles de turbulence, ou encore améliorer la compréhension d’écoulements complexes intervenant dans divers secteurs applicatifs : en géophysique (turbulence atmosphérique, transport de sédiments), dans le secteur médical (étude d’écoulements dans des microcavités), dans l’industrie automobile (étude de spray) ou encore dans l’industrie chimique (écoulements multiphasiques réactifs). Dans ce contexte, l’holographie numérique de micro-particules qui permet d’estimer la taille, la position et la vitesse d’objets répartis dans un volume apparaît comme une technique de mesure simple, précise et complémentaire aux autres techniques de mesures 3D