The complex signal of collective light scattering and the turbulent flows
Le signal complexe de la diffusion collective de la lumière et les écoulements turbulents
Résumé
Collective light scattering is an observation device for turbulent gas. A laser lights the observed zone, and the gas molecules scattered field is detected at a small angle from the forward propagation direction. The collected information is proportional to the spatial Fourier transform of the gas density, inside the observation zone, at the scattering wavevector. Heterodyne detection allows to measure the modulus and phase of the complex signal.
The Doppler effect implies that the flow velocity can be measured: The signal spectrum, under some conditions, is proportional to spatial mean velocity distribution. We show that instantaneously, under the same kind of conditions, the signal phase derivative is proportional to the spatial mean velocity. The velocity evolution is then known. The velocity frequency spectrum can be calculated. We also compute the turbulent diffusion coefficient from the phase derivative. Experimental results were obtained in a supersonic mixing layer inside windtunnel at the LEA, Poitiers.
Scattering selects a specific wavevector. Information about a fixed lengthscale of the turbulent flow is present inside the signal modulus. A special device was built to observe simultaneously two scatterings at different wavevectors. The experience is an axissymmetric air jet. Correlation between those signals shows two different timescales: The shorter one appears only on selfcorrelation. Its value depends on the observation wavelength. The longer one also appears on crosscorrelation. Its value only depends on the production lengthscale and on the mean velocity. This timescale is peculiar to large structures inside the turbulence.
The Doppler effect implies that the flow velocity can be measured: The signal spectrum, under some conditions, is proportional to spatial mean velocity distribution. We show that instantaneously, under the same kind of conditions, the signal phase derivative is proportional to the spatial mean velocity. The velocity evolution is then known. The velocity frequency spectrum can be calculated. We also compute the turbulent diffusion coefficient from the phase derivative. Experimental results were obtained in a supersonic mixing layer inside windtunnel at the LEA, Poitiers.
Scattering selects a specific wavevector. Information about a fixed lengthscale of the turbulent flow is present inside the signal modulus. A special device was built to observe simultaneously two scatterings at different wavevectors. The experience is an axissymmetric air jet. Correlation between those signals shows two different timescales: The shorter one appears only on selfcorrelation. Its value depends on the observation wavelength. The longer one also appears on crosscorrelation. Its value only depends on the production lengthscale and on the mean velocity. This timescale is peculiar to large structures inside the turbulence.
La diffusion collective de la lumière est un moyen d'observation des gaz turbulents. Un laser éclaire le volume étudié. Le champ diffusé par les molécules du gaz est détecté, sous un angle proche de la direction de propagation avant. L'information recueillie est proportionnelle à la transformée de Fourier spatiale de la densité du gaz, sur le volume d'observation, suivant le vecteur d'onde de diffusion. La détection hétérodyne permet d'avoir accès au module et à la phase de ce signal complexe.
L'effet Doppler implique qu'il est possible de mesurer la vitesse de l'écoulement: à travers le spectre du signal, on retrouve, sous certaines conditions, la distribution de probabilité de la vitesse moyenne sur le volume observé. De manière instantanée, on a étudié la dérivée de la phase du signal pour déterminer sous quelles conditions, cette dérivée approche la vitesse instantanée moyenne sur le volume. L'évolution temporelle de la vitesse moyenne sur le volume est alors connue. Son spectre peut être calculé. Un coefficient de diffusion turbulente peut être établi. Les expériences liées à cette étude, ont été faites sur une couche de mélange supersonique, dans la soufflerie S150 du LÉA de Poitiers.
La diffusion a aussi la propriété de sélectionner une longueur d'onde, donc une échelle du milieu observé. Cette information est présente dans le module du signal. Un dispositif permettant d'observer simultanément deux diffusions à des échelles différentes a été monté. L'expérience a porté sur un jet à symétrie axiale. L'étude des auto- et intercorrélations entre signaux à échelles différentes laisse apparaitre deux échelles de temps distinctes: un temps court, visible uniquement sur l'autocorrélation, propre à l'échelle observée, et un temps plus long, observable dans tous les cas. Ce dernier ne dépend que de l'échelle de production et de la vitesse moyenne. On a montré que ce temps long est propre aux grandes structures de la turbulence.
L'effet Doppler implique qu'il est possible de mesurer la vitesse de l'écoulement: à travers le spectre du signal, on retrouve, sous certaines conditions, la distribution de probabilité de la vitesse moyenne sur le volume observé. De manière instantanée, on a étudié la dérivée de la phase du signal pour déterminer sous quelles conditions, cette dérivée approche la vitesse instantanée moyenne sur le volume. L'évolution temporelle de la vitesse moyenne sur le volume est alors connue. Son spectre peut être calculé. Un coefficient de diffusion turbulente peut être établi. Les expériences liées à cette étude, ont été faites sur une couche de mélange supersonique, dans la soufflerie S150 du LÉA de Poitiers.
La diffusion a aussi la propriété de sélectionner une longueur d'onde, donc une échelle du milieu observé. Cette information est présente dans le module du signal. Un dispositif permettant d'observer simultanément deux diffusions à des échelles différentes a été monté. L'expérience a porté sur un jet à symétrie axiale. L'étude des auto- et intercorrélations entre signaux à échelles différentes laisse apparaitre deux échelles de temps distinctes: un temps court, visible uniquement sur l'autocorrélation, propre à l'échelle observée, et un temps plus long, observable dans tous les cas. Ce dernier ne dépend que de l'échelle de production et de la vitesse moyenne. On a montré que ce temps long est propre aux grandes structures de la turbulence.
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