Une équipe CEA-ONERA a participé en 2025 à une compétition internationale de métrologie
dédiée à la Vélocimétrie par Imagerie de Particules (PIV) et se classe parmi les tout meilleurs.
Dans le cadre de l’ANR BANG (BreAkiNg KolmoGorov Barrier), une collaboration, avec le CEA/LMFL/ONERA portée par le SPEC, vise à explorer expérimentalement les petites échelles de la turbulence pour comprendre un des grands mystères encore non résolus de la Physique Newtonienne : Comment peut-on expliquer la dissipation d’énergie cinétique d’un écoulement turbulent même sans l’aide de la viscosité du fluide ? Est-ce que des singularités de l’écoulement seraient à l’origine de ce phénomène ? Pour tenter d’observer ces structures singulières -qui devraient apparaître à petite échelle, sous l’échelle dite de Kolmogorov- de nouveaux développements pour la métrologie en Mécanique des Fluides ont été effectués au SPEC.
En turbulence, un fluide est modélisé comme un milieu continu, aux propriétés mécaniques identifiées (masse volumique, viscosité, tenseur des contraintes…), qui se déforme en fonction de l’espace et du temps. La dynamique des fluides vise à étudier le champ de vitesse/déplacement des éléments fluides. Expérimentalement, nous avons donc besoin de mesurer un champ de déplacement 3D en fonction de l’espace et du temps.
La technique, la plus prometteuse depuis les années 1990, est la vélocimétrie par imagerie de particules (PIV), qui initialement ne reconstruisait qu’un champ de déplacement à 2 composantes dans un plan 2D (Voir Figure 1). Pour ce faire, le fluide est d’abord ensemencé de petites particules, généralement micrométriques. Celles-ci sont illuminées par un laser pulsé dont le faisceau a été ouvert pour éclairer un volume de très faible épaisseur assimilable à un plan. Une caméra à haute fréquence d’acquisition et grand nombre de pixels (MegaPixels) enregistre des images du champ de particules se déformant au cours du temps. Un algorithme de traitement de l’image reconstruit le champ de déplacement
En utilisant plusieurs caméras et une illumination volumique, cette méthode s’étend maintenant à la 3D, où la grande difficulté réside dans l’identification, la reconstruction des positions 3D des particules et leur suivi temporel dans le volume de mesure 3D. En effet, la turbulence étant un phénomène multi-échelle et à grand nombre de degrés de liberté, une très grande densité volumique de particule est nécessaire. Ceci crée alors dans les images un très fort chevauchement des images de particules, et la nature sous-déterminé du problème mathématique d’inversion génère des fausses particules-dites fantômes- souvent rédhibitoires pour la mesure au-delà de 0,05 particules par pixels (ppp).
C’est sur cette difficulté majeure que porte principalement la Challenge PIV 2025 : « 2nd Lagrangian Particle Tracking and Data Assimilation Challenges » https://onera-flow-benchmarks.fr/en/home. Le but de cette compétition est de mettre en concurrence et classer de façon objective, les méthodes algorithmiques de traitement de l’image, qui permettent de reconstruire le plus de particules, et leur déplacement avec la plus faible erreur de localisation. Pour ce faire, des images synthétiques sont générées à partir d’un écoulement simulé de référence que l’on chercher à retrouver. Différentes conditions expérimentales sont recréées et spécifiquement testées : densité image des particules, géométrie réaliste d’éclairage… Différentes équipes compétitrices dans le monde testent leurs algorithmes sur ces images pendant 3 mois, avant de rendre leurs résultats qui sont ensuite classés selon des critères bien établis dans la communauté.
Juste avant le Challenge, des membres du groupe SPHYNX/SPEC ont mis au point une nouvelle méthode dite F-VFC (Flow Vector Field Consensus) de suivi de particules extrêmement robuste au bruit typique de la 3D, les particules fantômes. Un article décrivant la méthode, ses performances a été publié dans un journal à review [1]. Cet outil algorithmique essentiel a ensuite été imbriqué dans une stratégie itérative plus globale alliant reconstruction et suivi, construite à partir des outils de nos collaborateurs ONERA/DAAA et DTIS, que l’on a baptisé VICCTOR (Voxel-grid Initialized reConstruction with Consensus Tracking for Outlier Removal).
Les résultats de notre algorithme VICCTOR au PIV Challenge ont été dévoilés tout début Juillet 2025 lors d’un workshop de la conférence ISPIV Tokyo 2025 et ceci sont excellents puisqu’ils égalent voire parfois surpassent les résultats de l’algorithme de référence dans la communauté (Two-Pulse Shake-The-Box). La soumission des résultats a été prolongée jusqu’à toute fin 2025, les résultats présentés ici sont pris courant Décembre 2025 (voir Figure 1). Ces résultats témoignent donc du potentiel des développements en cours au SPEC pour faire évoluer les outils de métrologie par imagerie et renforcent la pertinence de collaboration entre deux grands organismes de recherche Français.
Bibliographie :
[1] Le Bris, J., et al. Consensus-based tracking for 3D PTV at high seeding densities. Exp Fluids 66, 186 (2025). https://doi.org/10.1007/s00348-025-04109-7
Contact: Adam Cheminet