Effet de plasmas sur une onde de choc dans un écoulement supersonique à Mach 3

Plasma effects on a shock in a supersonic M=3 flowfield

• Auteur / Autrice : Paul-Quentin Elias
• Direction : Christophe Laux
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Énergétique
• Date : Soutenance en 2007
• Etablissement(s) : Châtenay-Malabry, Ecole centrale de Paris

Mots clés

Mots clés contrôlés

Écoulement instationnaire (dynamique des fluides)

Aérodynamique supersonique

Plasmas (gaz ionisés)

Mots clés libres

Stabilisation écoulement

Résumé

L’objet de ce travail est de caractériser l’interaction d’un plasma de décharge généré sur une maquette inspirée du dispositif de Kuo & Bivolaru avec un écoulement supersonique à M=3. D’une part, on étudiera la génération ou non de l’écoulement, différents régimes de décharges sont observés. Sur l’écoulement stationnaire, on observe des décharges couronnes impulsionnelles, luminescentes, et d’arc, pour des pointes polarisées positivement et négativement. La topologie de la décharge luminescente suggère l'existence d'une double gaine au niveau de l'onde de choc. Sur l’écoulement instationnaire, seuls les régimes couronnes et d’arc sont observés. Malgré plusieurs tentatives, nous n’avons pu reproduire les observations de Kuo et Bivolaru. Ceci peut être expliqué soit par l'omission d'un élément dans notre reproduction de leur dispositif (les données publiées sont insuffisantes pour reproduire leurs dispositif), soit par la possibilité d'une interprétation erronée de la part de ces auteurs. Néanmoins, nous avons pu mettre en évidence la stabilisation d’un écoulement instationnaire avec Lp/D=0,46 lors de l’activation d’une décharge couronne négative de faible puissance (P<1W). Afin de comprendre ce phénomène, un modèle permettant la prise en compte systématique des couplages entre l’écoulement et la décharge a été développé. La décharge couronne négative est modélisée afin de quantifier les couplages identifiés. On montre qu’il existe au moins deux façons d'obtenir numériquement la stabilisation de l’écoulement : au moyen d’un chauffage continu ou par application d’une force continue. Cependant, les ordres de grandeurs nécessaires sont beaucoup trop importants par rapport à ce que peut générer une décharge couronne négative. L'analyse approfondie de l'écoulement instationnaire pour Lp/D=0,46 montre qu'il existe un Reynolds critique au delà duquel l'écoulement redevient stationnaire. Le caractère turbulent de la couche limite est incriminé pour expliquer la stabilisation de l'écoulement. On propose alors l'hypothèse suivante : la décharge impulsionnelle se comporte comme une source acoustique de forte intensité susceptible de déclencher la transition de la couche limite

This work study the interaction of an on-board generated gas discharge and a M=3 supersonic airflow. For this purpose, a truncated conical model mounted with a central spike is used. The ratio Lp/D is the main geometrical parameter of the test model, where Lp and D are the spike length and the truncated section diameter, respectively. A pair of electrodes located on the model allows to generate gas discharges. The drag is also measured. At a given Reynolds number, the flowfield around the model is steady for Lp/D<0. 40, and unsteady for Lp/D>0,40. According to the flowfield state, different discharge regimes are observed. In the steady flowfield, pulsed corona, glow and arc regime are obtained, for positively and negatively biased spikes. In the unsteady flowfield, corona and arc regimes only are obtained, also in both polarities. In all cases, the drag is unchanged when turning on the discharges. When a negative corona regime with a weak input power (P<1W) is generated in a Lp/D=0,46 unsteady flowfield, we observe the stabilization of the unsteadiness. To understand this phenomenon, the negative corona discharge is modeled to quantify the couplings between the flow and the discharge. Further investigations of the Lp/D=0. 46 unsteady flowfield show that above a critical Reynolds number, the flowfield switch back to a steady regime. The transition to turbulence of the boundary layer is thought to stabilize the flow. Consequently, the following hypothesis is proposed : the pulsed corona discharges acts as a powerful narrow-band acoustic source tripping the initially laminar boundary layer, thus triggering its transition to turbulence.