UPThèses

La Décharge à Barrière Diélectrique (DBD) employée ici consiste en une décharge électrique établie dans l'air à pression atmosphérique à la surface d'un isolant. Cette décharge ionise l'air ambiant environnant, et les espèces chargées générées soumises à la force de Coulomb induisent, par transfert de quantité de mouvement, un écoulement appelé vent électrique. Récemment, la capacité de ce type de dispositif à contrôler un écoulement subsonique autour de profils aérodynamiques a été mise en évidence. La DBD employée dans ce sens est appelée actionneur plasma. Ces actionneurs peuvent modifier les écoulements de couche limite en proche paroi par l'intermédiaire du vent électrique. Le but de la thèse est d'améliorer les performances aérodynamiques d'une aile, soit en augmentant sa portance, soit en réduisant sa traînée ou bien encore en retardant le décrochage du profil. Le travail réalisé se divise en deux grandes parties. La première partie a consisté à développer puis optimiser une décharge à barrière diélectrique afin de mieux comprendre son fonctionnement. Pour cela, une étude paramétrique a été effectuée, en faisant varier les grandeurs électriques, physiques et géométriques. Des mesures électriques et mécaniques ont été réalisées, puis des grandeurs électromécaniques comme le rendement par exemple ont été estimées et comparées. Ces différentes études ont permis de définir un ensemble de paramètres permettant d'obtenir une DBD optimum en termes de génération de vent électrique et de fiabilité. La seconde partie a consisté à intégrer l'actionneur plasma optimisé sur un profil symétrique NACA 0015, et de tester son efficacité dans un écoulement d'air allant jusqu'à 40 m/s. Pour cela, des mesures Particle Image Velocimetry (PIV) de l'écoulement autour du profil et des pesées aérodynamiques ont été réalisées sans, puis avec contrôle. L'influence de différents paramètres (fréquence et intensité de l'excitation, mode en fonctionnement) a été étudiée. Il a été mis en évidence une modification de l'écoulement sous les effets du contrôle qui favorise soit le processus de recollement de la couche limite ou soit le décollement. L'efficacité des actions continue et instationnaire de l'actionneur a été comparée. Modulée par une fréquence adimensionnelle F+, le mode instationnaire présente des résultats équivalent voire supérieur au mode continu tout en réduisant la consommation spécifique de la DBD.

Nous avons, dans le cadre de ce travail, développé la Décharge à Barrière Diélectrique (DBD) dans deux électrofiltres de géométries différentes. L'un des électrofiltres est de configuration Fil -Cylindre et l'autre de configuration Plan-Plan. Le premier volet de l'analyse de la précipitation électrostatique a consisté à déterminer l'efficacité de collecte des électrofiltres. Les résultats obtenus ont montré que l'utilisation de la DBD pour la précipitation donnait non seulement de très bons résultats en configuration Fil-Cylindre, mais également en configuration Plan-Plan (plus de 99% d'efficacité). Le second volet de notre étude a été consacré à la caractérisation des phénomènes EHD à l'intérieur des électrofiltres DBD à l'aide de moyens métrologiques optiques. Les résultats ont montré que le vent électrique a une influence minime sur la précipitation. En dehors du processus de génération du vent électrique dû à la différence de rayon de courbure entre les électrodes, il semblerait que les streamers soient impliqués dans le phénomène de précipitation. D'un point de vue organisationnel, ce travail s'articule autour de quatre chapitres. Dans le premier chapitre, nous présentons la précipitation électrostatique comme un outil de dépollution de l'air. Le deuxième chapitre est consacré à la caractérisation électrique des électrofiltres. Le troisième chapitre aborde l'analyse des performances granulométrique des électrofiltres. Enfin, le quatrième chapitre traite l'aspect EHD des phénomènes opérant à l'intérieur des électrofiltres.

Cette thèse est effectuée dans le cadre du projet Européen "PlasmAero" dont le but est de développer et d'étudier des actionneurs plasmas, et de démontrer leur capacité à contrôler des écoulements aérodynamiques. L'actionneur plasma à Décharge à Barrière Diélectrique (DBD) de surface est un moyen innovant pour contrôler un écoulement en utilisant le vent électrique induit par la force électrohydrodynamique (EHD) générée au sein du gaz ionisé. Une première partie est dédiée à l'étude des actionneurs plasmas. L'influence de la géométrie de l'électrode active d'une DBD est précisée par des mesures électriques, optiques et mécaniques. Les régimes de la décharge de surface peuvent être totalement modifiés, tout comme l'évolution de la force EHD en fonction du temps, calculée ici par bilan intégral. Une géométrie optimisée permet de supprimer le régime de décharge streamer et d'augmenter l'efficacité de l'actionneur de 0,65 à 0,97 mN/W. De plus, des configurations à multi-électrodes (sliding discharge et multi-DBD) sont étudiées et développées. Une multi-DBD à potentiels alternés a permis d'obtenir un vent électrique record de 10,5 m/s. L'étude du contrôle d'un écoulement décollé à mi-corde ou en bord de fuite sur l'extrados d'un profil NACA 0015 fait l'objet de la seconde partie de la thèse. Une DBD standard à deux électrodes, une multi-DBD à six électrodes et une DBD de type "nanoseconde" sont utilisées pour agir sur une séparation à des nombres de Reynolds atteignant 1,3μ106, avec une transition naturelle ou déclenchée. Les résultats démontrent que le contrôle permet de repousser efficacement la séparation, améliorant ainsi les performances aérodynamiques du profil.

Cette thèse s'inscrit dans le cadre d'un projet international (MARS) dont le but est d'améliorer l'efficacité du transport aérien par contrôle d'écoulement. Dans ce contexte, les travaux expérimentaux présentés ici sont focalisés sur l'utilisation d'un actionneur plasma à Décharge à Barrière Diélectrique (DBD) pour contrôler l'écoulement turbulent en aval d'une marche descendante (BFS) à Reh = 30000. Deux types de décharges sont étudiés : une ac-DBD qui produit une force électrohydrodynamqiue et une ns-DBD qui produit une onde de pression. Plusieurs positions de l'actionneur sont étudiés, de façon à optimiser les effets de la décharge sur l'écoulement. A l'aide d'un système PIV stéréoscopique, une étude étendue est destinée à l'évaluation des paramètres électriques du signal. Parmi tous les résultats obtenus, la zone de recirculation est réduite de 20%. De plus, d'autres quantités moyennes telles que les composantes de Reynolds, l'énergie cinétique et l'épaisseur de la couche cisaillée ont été aussi analysées. La dernière partie de la thèse comprend une analyse dynamique des modifications produites par l'actionneur. Pour cela, les structures dominantes sont examinées par leur signature fréquentielle et par une décomposition orthogonal aux valeurs propres (POD). Tous les résultats conduisent à la définition d'un cas d'action optimal pour lequel il est obtenu une réduction maximal de la longueur de rattachement. Le lâcher tourbillonnaire est renforcé par un mécanisme de type "lock-on".

Dans le cadre de cette thèse, des Décharges à Barrières Diélectrique (DBD) pulsées de volume et de surface ont été étudiées expérimentalement, dans le but de les appliquer respectivement à la précipitation électrostatique de particules submicroniques et à la régénération de surface. La caractérisation des DBD pulsées a consisté à effectuer des mesures électriques (courant, énergie) et optiques (imagerie ICCD), afin d'observer l'influence des paramètres électriques et géométriques, ainsi que des matériaux utilisés, sur les propriétés de la décharge. Il en ressort que pour les deux types de DBD (surface et volume), le courant présente deux pics durant les fronts montant et descendant du pulse de tension, et que les deux décharges ont des aspects différents (filamentaire ou diffus). Concernant la précipitation électrostatique, l'efficacité de collecte des électrofiltres a été déterminée par des mesures granulométriques. Les résultats montrent que celle-ci est influencée par les paramètres électriques et géométriques des électrofiltres. Une caractérisation des phénomènes EHD au sein des électrofiltres par métrologie optique (LDV et PIV) a été effectuée afin de comprendre les mécanismes de charge et de dérive des particules. Ensuite, la régénération de surface a été étudiée en analysant les images de la surface polluée, avant et après le traitement. Les résultats révèlent que les performances de la régénération sont influencées par les paramètres électriques, géométriques et les matériaux des réacteurs DBD. Les mécanismes de la régénération ont été analysés en relevant l'évolution de la taille et la concentration des particules générées lors du processus de régénération.

Cette thèse a pour but d'étudier une nouvelle décharge nanoseconde pulsée à barrière diélectrique basée sur 3 électrodes (SL-DBD pour « SLiding DBD » en anglais), de la comparer à la décharge nanoseconde conventionnelle utilisant 2 électrodes (NS-DBD), et d'évaluer sa capacité à être utilisée soit comme capteur de vitesse pariétale, soit comme actionneur électromécanique pour le contrôle d'écoulement. Dans la première partie, les propriétés électriques des deux décharges sont caractérisées, permettant ainsi d'identifier le paramètre électrique clé qui permet de passer d'un régime de décharge à un autre. Des visualisations par caméra intensifiée ont confirmé cette transition lorsque le champ électrique moyen devient supérieur à 6.5 kV/cm. Des diagnostiques mécaniques (Schlieren et mesures de pression) ont permis de caractériser précisément l'onde de pression générée par les deux décharges. Ensuite, l'influence d'un écoulement sur le comportement électrique de la SL-DBD a été étudiée, mettant en évidence que le courant « collecté » par l'électrode (3) était à peu près proportionnel à la vitesse de l'écoulement en proche paroi. Même s'il reste encore de nombreux points à vérifier, ce résultat encourageant permet d'envisager l'utilisation de la SL-DBD comme capteur de vitesse et/ou de frottement pariétal. Enfin, la troisième partie est consacrée à l'effet de la SL-DBD sur des écoulements aérodynamiques, dans le but de les manipuler. Plusieurs configurations ont été étudiées (profil d'aile, marche descendante, plaque plane) et les résultats ont permis de montrer la complexité des phénomènes physiques à l'origine du contrôle, sans pour autant pouvoir totalement les expliquer.

Les plasmas froids d’air à pression atmosphérique sont très utiles pour un grand nombre d’applications grâce à leur chimie hors-équilibre et leur souplesse d’utilisation. Leur intérêt réside dans la production de certaines espèces réactives ou chargées avec un coût énergétique plus avantageux que la chimie à l’équilibre. L’objectif de cette thèse est de combiner les décharges nanosecondes répétitives pulsées (NRP) avec une géométrie micrométrique. Par cette combinaison, nous souhaitons palier au chauffage excessif des étincelles qui génèrent pourtant des fortes densités d’espèces. Notre étude se concentre en trois points principaux. Dans un premier temps la phase de claquage est étudiée ; c’est pendant cette étape que l’énergie est déposée et que les espèces sont produites. La combinaison des diagnostics électriques et de spectroscopie d’émission optique montrent que l’air est presque complètement dissocié et ionisé. Ensuite, nous nous intéressons à la phase de recombinaison qui conditionne la durée de vie de ces espèces. Les résultats mettent en évidence une réaction à trois corps comme mécanisme de recombinaison principal. Et enfin, le dernier point concerne le transport des espèces vers un substrat conducteur. En lui appliquant une tension, celui-ci nous permet de générer un écoulement de vent ionique provenant de la décharge. L’écoulement est étudié par vélocimétrie d’images de particules et imagerie Schlieren. Ce travail a permis de démontrer la capacité des NRP micro-plasmas dans la production contrôlée d’espèces réactives et chargées, mais aussi dans leur transport vers une surface par panache électro-aérodynamique.

Plusieurs types d’applications industrielles complexes, relèvent du domaine multidisciplinaire de l’Electro-Hydro-Dynamique (EHD) où les interactions entre des particules chargées et des particules neutres sont étudiées dans le contexte couplé de la dynamique des fluides et de l’électrostatique. Dans cette thèse, nous avons étudié par voie de simulation numérique certains phénomènes Electro-Hydro-Dynamiques comme l’injection unipolaire, le phénomène de conduction dans les liquides peu conducteurs et le contrôle d’écoulement avec des actionneurs plasma à barrières diélectriques (DBD). La résolution de tels systèmes physiques complexes exige des ressources de calculs importantes ainsi que des solveurs CFD parallèles dans la mesure où ces modèles EHD sont mathématiquement raides et très consommateurs en temps de calculs en raison des gammes d’échelles de temps et d’espace impliquées. Cette thèse vise à accroitre les capacités de simulations numériques du groupe Electro-Fluido-Dynamique de l’Institut Pprime en développant un solveur parallèle haute performance basé sur des modèles EHD avancés. Dans une première partie de cette thèse, la parallélisation de notre solveur EHD a été réalisée avec des protocoles MPI avancés comme la topologie Cartésienne et les Inter-communicateurs. En particulier, une stratégie spécifique a été conçue pour prendre en compte la caractéristique multi-blocs structurés du code. La nouvelle version parallèle du code a été entièrement validée au travers de plusieurs benchmarks. Les tests de scalabilité menés sur notre cluster de 1200 cœurs ont montré d’excellentes performances. La deuxième partie de cette thèse est consacrée à la simulation numérique de plusieurs écoulements EHD typiques. Nous nous sommes intéressés entre autres à l’électroconvection induite par l'injection unipolaire entre deux électrodes plates parallèles, à l’étude des panaches électroconvectifs dans une configuration d'électrodes lame-plan, au mécanisme de conduction basé sur la dissociation de molécules neutres d'un liquide faiblement conducteur. Certains de ces nouveaux résultats ont été validés avec des simulations numériques entreprises avec le code commercial Comsol. Enfin, le contrôle d’écoulements grâce à un actionneur DBD a été simulé à l’aide du modèle Suzen-Huang dans diverses configurations. Les effets de l’épaisseur du diélectrique, de l’espacement inter-électrodes, de la fréquence de la tension appliquée et sa forme d’onde, sur la vitesse maximale du vent ionique induit ainsi que sur la force électrique moyenne ont été étudiés.

Les décharges couronnes DC et les décharges à barrière diélectrique dans l’air à pression atmosphérique sont souvent utilisées en chimie car elles ont la capacité de produire des réactions chimiques hors-équilibre. Dans certaines conditions, elles peuvent générer un écoulement appelé « vent ionique ». Dans cette thèse, l’effet de l’injection d’un brouillard de gouttelettes d’eau micrométrique dans de tels plasmas est étudié, pour être appliqué à la récupération d’espèce chimique volatile in situ. L’objectif est donc d’étudier la mise en mouvement de l’aérosol par la décharge et sa précipitation sur la paroi d’un réacteur de type pointe-plan, à l’aide d’un dispositif de Vélocimétrie par Image de Particules (PIV) à haute fréquence (20 kHz). Dans un premier temps, la mise en mouvement de l’air par le phénomène de vent ionique est décrite, cet écoulement présentant des propriétés qui dépendent fortement du signal électrique alimentant la décharge (amplitude, fréquence, forme d’onde). Dans un second temps, l’effet du brouillard de gouttelettes d’eau sur la décharge ainsi que l’écoulement du brouillard dans l’espace inter-électrodes sont analysés. On a ainsi pu démontrer que le déplacement des particules était majoritairement dû au vent ionique, mais que le phénomène de précipitation électrostatique n’était pas négligeable, surtout à proximité de la plaque et dans les régions éloignées du centre du jet. Enfin, la quantité d’eau récupérée est évaluée pour différentes configurations de décharges électriques. L’application du procédé à la chimie n’a pu aboutir du fait de l’instabilité de la décharge dans un réacteur fermé à cause du film d’eau, non désiré, se formant sur les parois.

La recherche présentée dans cette thèse se concentre sur la conception et l’utilisation d’actionneurs plasma à décharge à barrière diélectrique (DBD) de faible épaisseur et à géométrie complexe afin d’exercer un contrôle d’instabilité sur deux configurations d’écoulement dont la dynamique est régie par des mécanismes d’instabilités primaires et/ou secondaires. Le cas d’une couche limite tridimensionnelle telle que rencontrée sur une aile en flèche est étudié à l’aide de deux stratégies de forçage permettant de manipuler la transition induite par un phénomène d’instabilité stationnaire. Ici, un réseau d’éléments de rugosité discrets (DRE) est installé en amont du forçage par DBD afin de verrouiller l’origine et l’évolution des tourbillons stationnaires transversaux de la couche limite. La première approche de forçage consiste à modifier l’écoulement amont par déformation (UFD). Une seconde approche par modification directe de l’écoulement de base est également introduite (BFM). Un retard de transition est observé indépendamment du forçage réalisé. Cependant, comme les tourbillons transverses sont fortement amplifiés en raison de l’utilisation de DRE, l’action par approche UFD peut conduire à la fois à une atténuation directe des structures fluidiques transverses telle qu’envisagée mais aussi à une action non intentionnelle sur la nature inflectionnelle de l’écoulement de base. La méthode BFM résulte en une interaction directe sur les tourbillons transverses, interactions confirmées par une étude théorique de l’instabilité sous l’effet d’un modèle simplifié d’actionneur DBD. Il s’agit de la première démonstration expérimentale du retard de transition sur une aile en flèche grâce à l’effet d’un actionneur plasma et également à la première preuve de concept expérimentale de la stratégie BFM. Le sillage d’une couche de mélange plane à bord épais et les phénomènes d’instabilité primaire et secondaire responsables pour l’expansion spatio-temporelle du sillage sont également étudiés. Des conditions de forçage fréquentiel puis spatial sont successivement testées et analysées par approche spectrale (décomposition orthogonale spectrale, SPOD) sur des données expérimentales de PIV multi-champs résolues en temps. L’instabilité primaire est excitée par un forçage spatialement homogène pulsé à la fréquence naturellement la plus amplifiée. Ce forçage l’atténue les instabilités aux sous-harmoniques et inhibe l’appariement tourbillonnaires. A l’inverse, le forçage aux sous-harmoniques renforce les phénomènes d’appariement conduisant à un fort taux d’épanouissement de la couche de mélange. Enfin, l’effet d’un forçage modulé spatialement se traduit par un taux d’accroissement variant selon la position transverse et qui traduit à la fois le renforcement et la modulation spatiale des structures à grande échelle. La segmentation du forçage selon l’envergure de la couche de mélange permet toujours de modifier les structures transverses mais en sus, la coalescence des structures longitudinales et transversales est favorisée. Les travaux de recherche réalisés confirment la capacité des actionneurs plasma de type DBD à exercer un forçage modulé à la fois temporellement et spatialement. La large réduction de la puissance électrique consommée dans le cas d’un forçage modulé spatialement permet une amélioration notable de l’efficacité du système de contrôle.