Etude, caractérisation et amélioration d'un actionneur plasma : application au contrôle de la transition d'une couche limite de Blasius

Study, characterization and enhancement of a plasma actuator : application on transition control of a Blasius boundary layer

• Auteur / Autrice : Romain Joussot
• Direction : Dunpin Hong
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique des gaz et des plasmas
• Date : Soutenance le 07/12/2010
• Etablissement(s) : Orléans
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences et technologies (Orléans ; 2009-2012)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Groupe de recherches sur l'énergétique des milieux ionisés (Orléans ; 1996-2011)
• Jury : Président / Présidente : Stéphane Pasquiers
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Dunpin Hong, Stéphane Pasquiers, Christophe Laux, Olivier Cadot, Régine Weber, Alain Séraudie, Eric Moreau.
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Christophe Laux, Olivier Cadot

Mots clés

Mots clés contrôlés

Couche limite -- Contrôle

Actionneurs

Traînée (aérodynamique)

Mots clés libres

Actionneur plasma

Vent ionique

Plasma actuator

Ionic wind

Résumé

Le contrôle actif d’écoulement est une voie envisagée actuellement pour améliorer les caractéristiques aérodynamiques des véhicules aériens ou terrestres. La diminution de la traînée (force opposée au mouvement) est notamment visée, ce qui permettrait de baisser la consommation en énergie entraînant ainsi une réduction des émissions polluantes. Depuis une dizaine d’années, les actionneurs plasmas sont utilisés comme dispositifs de contrôle. À Orléans, ils sont basés sur l’utilisation d’une décharge à barrière diélectrique créant à sa surface un plasma qui induit un écoulement de quelques km h-1 : le vent ionique. L’actionneur plasma est caractérisé avec l’étude des différents régimes de décharge. Celui où des arcs énergétiques apparaissent est analysé. La température de surface de l’actionneur est également étudiée en fonction de plusieurs paramètres. Elle reste inférieure à 100 °C, ce qui confirme que les effets des actionneurs plasmas sur un écoulement ne sont dus qu’au vent ionique. Une caractérisation du vent ionique permet aussi de confirmer le lien entre le vent ionique et l’extension du plasma : deux phases distinctes existent, pendant lesquelles il est créé. Le contrôle de la transition d’une couche limite de Blasius est effectué sur une géométrie de type plaque plane. En fonction de la position de l’actionneur ou de la puissance consommée, le recul, le déclenchement précoce ou le cas sans effet est obtenu. Le mécanisme d’action est identifié et est lié à une excitation de l’écoulement qui devient plus ou moins sensible aux ondes de Tollmien-Schlichting. La fréquence de fonctionnement de l’actionneur apparaît comme le paramètre principal pour ce type de contrôle. Une nouvelle géométrie d’actionneur est proposée et caractérisée. La décharge conserve des propriétés identiques au cas classique et le sondage du vent ionique par un moyen de mesure 3D permet de montrer le gain en vitesse et l’existence de structures 3D susceptibles de contrôler plus efficacement un écoulement.

Active flow control is a route currently being considered to improve aerodynamic performances of vehicles (airplanes or cars). Drag reduction (force opposite to motion) is particularly concerned and provides reduction of energy consumption of vehicles what induces low exhaust gases emissions. Plasma actuators are used as control devices since a decade. In Orléans, they are based on the use of surface dielectric barrier discharge which creates plasma on its surface and induces a flow of few km h-1 : the ionic wind. The plasma actuator is characterized with the study of different discharge regimes. One in which sparks occur is analyzed. The actuator surface temperature is also studied in function of several parameters. Surface temperature remains below 100 °C what confirms effects of plasma actuators on the flow are only due to the ionic wind. Characterization of ionic wind has also confirmed the link between induced flow and plasma spread over actuator surface : two distinct phases exist where a flow is every time induced. Transition control of a Blasius boundary layer is performed on flat plate geometry. Depending on plasma actuator position or power consumption, promotion, delay or neutral case are obtained on transition location. The mechanism of action is identified and linked to an excitation of the flow that becomes more or less sensitive to Tollmien-Schlichting waves. The operating frequency also appears as the main parameter for this type of control. New actuator geometry is proposed and characterized. The discharge keeps identical properties to a classical configuration of plasma actuator. Ionic wind measurements by means of a 3D device allow us to show the gain in speed and presence of 3D structures in the induced flow topology what is more effectively to control external flows.