Plasma-flow interfaces for instability control

par Srikar Yadala Venkata

Thèse de doctorat en Mécanique des fluides

Sous la direction de Éric Moreau et de Nicolas Bénard.

Le président du jury était Eric Garnier.

Le jury était composé de Éric Moreau, Nicolas Bénard, Marios Kotsonis.

Les rapporteurs étaient Jonathan F. Morrison, Jean-Luc Aider.

  • Titre traduit

    Interface plasma-fluide pour le contrôle d'instabilité


  • Résumé

    La recherche présentée dans cette thèse se concentre sur la conception et l’utilisation d’actionneurs plasma à décharge à barrière diélectrique (DBD) de faible épaisseur et à géométrie complexe afin d’exercer un contrôle d’instabilité sur deux configurations d’écoulement dont la dynamique est régie par des mécanismes d’instabilités primaires et/ou secondaires. Le cas d’une couche limite tridimensionnelle telle que rencontrée sur une aile en flèche est étudié à l’aide de deux stratégies de forçage permettant de manipuler la transition induite par un phénomène d’instabilité stationnaire. Ici, un réseau d’éléments de rugosité discrets (DRE) est installé en amont du forçage par DBD afin de verrouiller l’origine et l’évolution des tourbillons stationnaires transversaux de la couche limite. La première approche de forçage consiste à modifier l’écoulement amont par déformation (UFD). Une seconde approche par modification directe de l’écoulement de base est également introduite (BFM). Un retard de transition est observé indépendamment du forçage réalisé. Cependant, comme les tourbillons transverses sont fortement amplifiés en raison de l’utilisation de DRE, l’action par approche UFD peut conduire à la fois à une atténuation directe des structures fluidiques transverses telle qu’envisagée mais aussi à une action non intentionnelle sur la nature inflectionnelle de l’écoulement de base. La méthode BFM résulte en une interaction directe sur les tourbillons transverses, interactions confirmées par une étude théorique de l’instabilité sous l’effet d’un modèle simplifié d’actionneur DBD. Il s’agit de la première démonstration expérimentale du retard de transition sur une aile en flèche grâce à l’effet d’un actionneur plasma et également à la première preuve de concept expérimentale de la stratégie BFM.Le sillage d’une couche de mélange plane à bord épais et les phénomènes d’instabilité primaire et secondaire responsables pour l’expansion spatio-temporelle du sillage sont également étudiés. Des conditions de forçage fréquentiel puis spatial sont successivement testées et analysées par approche spectrale (décomposition orthogonale spectrale, SPOD) sur des données expérimentales de PIV multi-champs résolues en temps. L’instabilité primaire est excitée par un forçage spatialement homogène pulsé à la fréquence naturellement la plus amplifiée. Ce forçage l’atténue les instabilités aux sous-harmoniques et inhibe l’appariement tourbillonnaires. A l’inverse, le forçage aux sous-harmoniques renforce les phénomènes d’appariement conduisant à un fort taux d’épanouissement de la couche de mélange. Enfin, l’effet d’un forçage modulé spatialement se traduit par un taux d’accroissement variant selon la position transverse et qui traduit à la fois le renforcement et la modulation spatiale des structures à grande échelle. La segmentation du forçage selonl’envergure de la couche de mélange permet toujours de modifier les structures transverses mais en sus, la coalescence des structures longitudinales et transversales est favorisée.Les travaux de recherche réalisés confirment la capacité des actionneurs plasma de type DBD à exercer un forçage modulé à la fois temporellement et spatialement. La large réduction de la puissance électrique consommée dans le cas d’un forçage modulé spatialement permet une amélioration notable de l’efficacité du système de contrôle.


  • Résumé

    The research presented in this thesis focuses on the design and use of dielectric barrier discharge (DBD) plasma actuators with thin and complex geometry electrodes to exert instability control on two flow configurations whose dynamics are governed by primary and/or secondary instability mechanisms.The case of a three-dimensional boundary layer as encountered on a swept wing is studied using two forcing strategies to manipulate the transition induced by a stationary instability phenomenon. Here, an array of discrete roughness elements (DRE) is installed upstream of the DBD forcing in order to lock the origin and evolution of the stationary cross-flow (CF) vortices in the boundary layer. The first forcing approach is upstream flow deformation (UFD). The second approach based on direct modification of the base flow is also introduced (BFM). Independent of the forcing applied, a transition delay is observed. However, as the CF vortices are strongly amplified due to the use of DRE, the action by UFD approach can lead both to a direct attenuation of the CF vortices as envisaged but also to an unintentional action on the inflectional nature of the base flow. The BFM method results in a direct attenuation of the CF velocity component, which is also confirmed by a theoretical study of instability under the effect of the DBD actuator through a simplified model. This is not only the first experimental demonstration of transition delay on a swept wing using plasma actuators, but also the first experimental proof of concept of the BFM strategy.The wake of a plane mixed layer with a thick edge and the primary and secondary instability phenomena responsible for the spatio-temporal expansion of the wake are also studied. Frequency and then spatial forcing conditions are successively tested and analysed by spectral approach (spectral proper orthogonal decomposition, SPOD) on experimental data from multi-field time-resolved particle image velocimetry. The primary instability is excited by a spatially uniform forcing pulsed at the naturally most amplified frequency. It is shown that the mean component of the flow is not modified while the spectral content of the mixing layer is largely affected. This forcing leads, in particular, to the inhibition of the pairing of vortical structures due to the attenuation of sub-harmonic instabilities. Conversely, direct forcing of sub-harmonic instabilities results in a reinforcement of the pairing phenomena, leading to a higher growth rate of the mixing layer. Finally, spatially modulated forcing results in a growth that varies according to the spanwise position, which reflects both the reinforcement and the spatial modulation of large-scale spanwise structures. The modulation of the forcing according to the scale of the mixing layer always allows the modification of the spanwise structures but in addition, the coalescence of the streamwise and spanwise structures is favoured.The research work carried out confirms the ability of DBD plasma actuators to exert a forcing modulated both temporally and spatially. The proposed actuators allow only a partial control of the instability phenomena in the three-dimensional boundary layer while the high receptivity of the initial region of a mixing layer has led to significant results both on the dynamics of spanwise and streamwise coherent structures. Thanks to a large reduction of the electrical power consumed in the case of spatially modulated forcing, the efficiency of the control system is greatly improved.


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