Etude de décharges électriques dans l'air pour le développement d'actionneurs plasmas : application au contrôle du décollement d'écoulements

Study of electric discharge in air for plasma actuator development : application to the control of airflow detachment

• Auteur / Autrice : Alexandre Labergue
• Direction : Éric Moreau
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie électrique
• Date : Soutenance en 2005
• Etablissement(s) : Poitiers
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences pour l'ingénieur et aéronautique (Poitiers1992-2008)
• Partenaire(s) de recherche : Autre partenaire : Université de Poitiers. UFR des sciences fondamentales et appliquées

Mots clés

Mots clés contrôlés

Couche limite -- Contrôle

Effet couronne

Plasmas froids

Électrofluidodynamique

Résumé

''L'actionneur '' plasma '' consiste en une décharge électrique établie dans l'air à pression atmosphérique à la surface d'un isolant. L'apport de quantité de mouvement induit par ces plasmas froids de surface, dû à la migration des ions soumis à la force de Coulomb et appelé ''vent ionique'', est utilisé ici pour modifier l'état collé ou décollé d'un écoulement. Le travail réalisé est divisé en deux parties. L'objectif de la première partie est de développer l'actionneur afin d'obtenir une décharge stable et homogène à travers deux exemples : la décharge couronne et la décharge à barrière diélectrique (DBD). La décharge couronne est obtenue en appliquant une haute tension, AC ou DC, entre deux fils placés à l'intérieur de rainures dans l'isolant. Le champ électrique moyen est de 8 kV/cm, pour un courant moyen de 1,5 mA/m pour une puissance électrique moyenne de 75 W/cm2. La DBD est obtenue en appliquant une haute tension alternative (plusieurs kV avec une fréquence allant de 100 à quelque kHz) entre deux électrodes placées de part et d'autre de l'isolant. Les mesures de vent ionique ont montré pour ces deux décharges une vitesse de 3 m/s environ à 1 mm au-dessus de la paroi. Dans une seconde partie nous avons testé les performances de l'actionneur pour le contrôle d'écoulements. Des essais préliminaires à faible vitesse (< 2 m/s) ont montré la possibilité de recoller un écoulement et de contrôler les structures crées en aval à l'aide d'une décharge pulsée. A plus haute vitesse ( 30 m/s), nous avons contrôlé l'état collé ou décollé d'un écoulement dans le cas d'une couche de mélange plane et d'un jet à section rectangulaire. Nous avons alors observés des modifications sur les propriétés du développement aval de l'écoulement, comme par exemple l'épaisseur de couche de mélange ou de vectorisation du jet. Par ailleurs, ces derniers travaux semblen''

The plasma actuator consists in an electrical discharge established in air at atmospheric pressure between two electrodes flush mounted on the surface of a test profile. Under Coulombic forces, ions created by this non-thermal plasma drift and induce a fluid motion called “ionic wind”. Here, this electrical process is used to modify the detachment or the reattachment of an airflow. The present report is divided in two parts. The first part is dedicated to the development of the actuator in order to obtain a stable and homogeneous discharge. Two discharges are investigated: a corona discharge and a dielectric barrier discharge (DBD). For the corona discharge, a DC or AC high voltage is applied between two wires placed inside grooves. The means electric field is about 8 kV/cm and the mean current is 1. 5 mA/m for a mean electrical power of 75 W/cm2. The DBD is obtained by applying an alternative high voltage (some kV with frequency of 100 up to some kHz) between two electrodes disposed of each side of the dielectric. Ionic wind measurements showed that for both discharge the velocity is about 3 m/s at 1 mm above the surface of the test profile. In a second part, the effect of the actuator is analysed for airflow control. A preliminary study at low velocity (< 2 m/s) demonstrated the ability of the actuator to reattach a naturally detached airflow and to control eddies created downstream by a pulse discharge. At upper velocities ( 30 m/s), the actuator is used to control the detachment and reattachment in the case of a plane mixing layer and a turbulent jet. Results showed that the control modified the development properties of the downstream airflow as the thickness of the mixing layer or jet deflection in the case of a turbulent jet. More, these lasts experiments seems indicated that the actuator is more efficient to detach an airflow than reattached it when the actuator used is the DBD.