Analyse expérimentale et modélisation numérique d’un actionneur plasma de type jet synthétique

Experimental analysis and numerical modeling of a plasma synthetic jet actuator

• Auteur / Autrice : François Laurendeau
• Direction : Grégoire Casalis, François Chedevergne
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Dynamique des fluides
• Date : Soutenance le 18/10/2016
• Etablissement(s) : Toulouse, ISAE
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Mécanique, énergétique, génie civil et procédés (Toulouse)
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : Équipe d'accueil doctoral Énergétique et dynamique des fluides (Toulouse, Haute-Garonne)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Office national d'études et recherches aérospatiales (France). Département Modèles pour l’Aérodynamique et l’Energétique (Toulouse, Haute-Garonne ; 1997-2017)
• Jury : Président / Présidente : Jean-Pascal Cambronne
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Yann Doutreleau, Marc Massot
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Rémi Manceau
• DOI : 10.70675/d73c8b79z8520z4262z9ffaz71a31478876e

Mots clés

Mots clés contrôlés

Modélisation CFD

Dynamique des fluides

Mots clés libres

Plasma

Jet synthétique

Contrôle actif d’écoulement

LES

PIV

Cedre

Plasma

Synthetic jet

Active flow control

LES

PIV

Cedre

Résumé

De nombreuses recherches sont actuellement menées afin de réduire les émissions polluantesdes aéronefs. Le contrôle actif des écoulements aérodynamiques est une piste envisagéepour répondre à ces enjeux. Parmi les technologies de contrôle en développement, lestechnologies plasma offrent plusieurs avantages, dont la compacité, la simplicité de mise enoeuvre et la réactivité. Ce travail de thèse a été consacré à l’étude d’un actionneur plasmade type jet synthétique. Il se présente sous la forme d’une petite cavité insérée en paroiet reliée à l’extérieur par une tuyère. Un arc électrique est généré dans la cavité, ce quientraîne une augmentation de la pression de l’air dans celle-ci. Par conséquent, un jet estproduit à la sortie de la tuyère, et celui-ci peut interagir avec l’écoulement extérieur. A lasuite de cette phase d’éjection, de l’air extérieur est naturellement aspiré par la cavité, cequi permet au processus d’être répété à des fréquences pouvant atteindre plusieurs kilohertz.L’objectif de ce travail de thèse est de construire un modèle numérique capable dereproduire ces phénomènes physiques. Pour cela, un calcul aérodynamique de type LargeEddy Simulation est mis en oeuvre. L’action du plasma d’arc est prise en compte au traversde termes sources dans l’équation de l’énergie. Ces derniers sont notamment calculés grâceà l’hypothèse d’équilibre thermodynamique local dans le plasma. De plus, l’augmentationde la température dans la partie solide de l’actionneur est simulée lorsque celui-ci est opéréà haute-fréquence. Les résultats du modèle numérique sont comparés à des mesures de vitesseeffectuées lorsque l’actionneur fonctionne dans un environnement extérieur au reposet lorsque celui-ci interagit avec une couche limite.

Nowadays, many studies are conducted in order to decrease greenhouse gases and noiseemissions from aircrafts. Active aerodynamic flow control is a way considered to meet thesechallenges. Among developed technologies of control, plasma actuators offer several advantages,including compactness, easy implementation and fast response. This thesis is devotedto the study of a plasma synthetic jet actuator which comes in the form of a small cavityinserted in wall and connected to the environment through a nozzle. An electrical arc isgenerated in the cavity, resulting in an increase of the cavity air pressure. Consequently,a jet is produced at the nozzle exhaust that can interact with the external flow. After thisejection phase, an aspiration phase naturally occurs, allowing the process to be repeatedat a frequency that can reach several kilohertz. This thesis aims at building a numericalmodel able to reproduce these physical phenomena. To do so, a Large Eddy Simulationis performed. The action of the plasma arc is taken into account through source terms inthe energy equation. In particular, these source terms are calculated using the assumptionof local thermodynamic equilibrium in the plasma. In addition, the heating of the actuatormaterials is simulated when it is operated at high frequency. The results from the numericalmodel are compared with velocity measurements, carried out when the actuator works ina quiescent environment and when it interacts with a boundary layer.