CONCOURS GÉNÉRAL DES LYCÉES – Physique de laboratoire et de procédés industriels
Mesure de la vitesse d’écoulement d’un fluide par vélocimétrie laser
Durée: 6 heures
La vélocimétrie laser à effet Doppler est un procédé qui permet de mesurer la vitesse de l’écoulement d’un fluide par détection du décalage de la fréquence d’une lumière laser dispersée par de petites particules en mouvement avec l’écoulement. A l’origine, le procédé fut présenté par Cummins, Kable et Yeh qui mesurèrent le mouvement brownien par l’observation du spectre de la lumière diffusée par des particules de l’ordre du micromètre.
Ce système est notamment utilisé pour visualiser l’écoulement des couches d’air le long de la carrosserie d’une automobile ou d’une rame de TGV. Mis en œuvre sur une maquette il permet d’optimiser l’aérodynamisme du solide en mouvement et de mettre en évidence les turbulences générées.
Le problème posé au Concours général comportait cinq parties de résolution indépendante et une question de synthèse.
- Première partie (effet Doppler): étude du principe de la mesure de vitesse par vélocimétrie laser.
- Deuxième partie (détection hétérodyne): étude de la détection de la vitesse par un capteur optique sensible à l’intensité lumineuse.
- Troisième partie (mode Doppler différentiel): cette technique est une amélioration de celle étudiée à la première partie : elle permet, en effet, la mesure de la valeur algébrique de la vitesse.
- Quatrième partie (étude du photomultiplicateur): le capteur optique et son alimentation électrique sont étudiés plus en détail.
- Cinquième partie (acquisition d’une donnée analogique): on s’intéresse au principe d’un échantillonneur et d’un convertisseur analogique numérique à conversion parallèle.
- Question de synthèse (mesure de la vitesse d’écoulement): utilisation de la technique du mode Doppler différentiel pour déterminer la composante de la vitesse d’une particule selon l’axe Fy. Comment procéder pour mesurer la composante de sa vitesse selon l’axe Fx?
