Actionneurs piézoélectriques miniaturisés pour le contrôle d'écoulement à haute vitesse

Miniaturized piezoelectric actuators for high-speed flow control applications

• Auteur / Autrice : Christian Bolzmacher
• Direction : Moustapha Hafez, Helmut Seidel
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique
• Date : Soutenance en 2010
• Etablissement(s) : Palaiseau, Ecole polytechnique en cotutelle avec Universität des Saarlandes
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Andreas Schütze, Jean-Marc Breguet, Charles Baroud, Ernst Obermeier, Farle Ortwin

Mots clés

Mots clés contrôlés

Dispositifs piézoélectriques

Microactionneurs

Résumé

En français : Cette thèse décrit le développement d'actionneurs piézoélectriques miniaturisés pour le contrôle actif d'écoulement à haute vitesse. L'objectif est de retarder la transition laminaire turbulente par le contrôle actif des ondes de Tollmien-Schlichting par introduction d'ondes artificielles à phase inversée. Le premier concept étudié dans cette thèse est un actionneur amplifié mécaniquement avec une structure de type levier élastique situé au-dessus d'une céramique piézoe��lectrique. Les avantages de cet actionneur sont le contrôle direct, la fonction de transfert linéaire, et le temps de réponse très rapide, ce qui facilite l'intégration dans un système asservi. Le deuxième concept est basé sur l'utilisation d'une membrane conique actionnée par un anneau piézoélectrique dans un mode propre axisymétrique. La géométrie conique focalise les ondes générées par l'anneau piézoélectrique vers le centre ou les amplitudes sont le plus importantes. Pour le control des ondes de Tollmien-Schlichting, la modulation d'amplitude est appliquée pour atteindre une gamme de fréquence large ou la fréquence porteuse est délivrée par les modes propres. Cet actionneur à l'avantage d'utiliser une membrane robuste fermée et une intégration simple. L'effet des actionneurs sur l'écoulement a été mesuré avec des capteurs film chaud dans une soufflerie en boucle ouverte. Pour les dimensions des actionneurs adaptés sur l'écoulement, l'effet désiré pour le contrôle actif de la transition a été observé. Enfin, il a été démontré que la modulation d'amplitude est une alternative intéressante si la fréquence porteuse est sélectionnée de manière optimale pour qu'elle n'agisse pas sur l'écoulement (> 40kHz).

This work describes the development of miniaturized piezoelectric actuators for high-speed flow control on airfoils. The goal is to delay the laminar-turbulent transition by active wave cancellation of so-called Tollmien-Schlichting waves introducing appropriate counterwaves. The first design concept is based on a mechanically amplified actuator where an external elas-tic lever-type amplification unit is located above a piezoelectric disc. This actuator provides direct control ability, a linear transfer function, and fast response time facilitating its integra-tion in controller systems. The second design concept is based on a tapered membrane driven in one of its axisymmetric eigenmodes, excited by a piezoelectric ring placed at the outer edge. The tapered membrane focuses the induced waves to the centre, where maximum amplitudes can be observed. Ampli-tude modulation allows the actuator to attain a wide frequency range as required for active cancellation of Tollmien-Schlichting waves, where the carrier frequency is provided by the eigenfrequencies. Its robustness, simple fabrication, and closed surface qualify this actuator for aircraft implementation. The effect of both actuators on the airflow around a wing profile at open-loop control has been measured with hot-film anemometers during a wind tunnel experiment. For device di-mensions adapted to the flow conditions both actuators exhibit the desired effect on the air-flow required for active transition control. It has been shown that amplitude modulation is an option for this type of flow control if the carrier frequency is selected adequately (>40 kHz) in order to not disturb the airflow.