Contrôle des instabilités de couches cisaillées par actionneur plasma de type DBD

Control of instabilities in shear layers using DBD-type plasma actuators

• Auteur / Autrice : Arnaud Stamatakis
• Direction : Erwin Gowree
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Dynamique des fluides
• Date : Inscription en doctorat le 01/11/2025
• Etablissement(s) : Université de Toulouse (EPE ; 2025-...)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Mécanique, énergétique, génie civil et procédés
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : ISAE-ONERA EDyF Energétique et Dynamique des Fluides
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : ISAE/DAEP Département Aérodynamique Energétique Propulsion
• Partenaire(s) de recherche : établissement délivrant conjointement le doctorat : Institut supérieur de l'aéronautique et de l'espace (Toulouse ; 2007-....)

Mots clés

Mots clés libres

Aérodynamique expérimentale

Couche-limite

Transition

Bulbe de décollement

Instabilités

Contrôle d'écoulement

Experimental aerodynamics

Boundary layer

Transition

Separation bubble

Instabilities

Flow control

Résumé

Cette thèse s'inscrit dans le cadre de l'amélioration des performances aérodynamiques des aéronefs, avec deux applications ciblées : les drones de petite taille et l'aviation civile. Les drones de petite taille évoluent à faible vitesse, donc à bas nombre de Reynolds. Dans ces conditions, la couche limite est particulièrement sujette au décollement, dégradant les performances aérodynamiques et acoustiques. Dans le cadre de l'aviation civile, à des nombres de Reynolds plus élevés, la transition laminaire-turbulent survient très rapidement près du bord d'attaque, augmentant la traînée de frottement. Retarder cette transition permettrait de diminuer la consommation de carburant, et donc l'impact environnemental. Dans ces deux contextes, le contrôle actif de l'écoulement par actionneurs plasma type DBD permettent de modifier les instabilités de la couche-limite. A bas Reynolds, des travaux récents ont montré que les instabilités dans les bulbes de décollement sont sensibles à la turbulence extérieure et à des micro-rugosités localisées en amont. L'idée est donc d'étudier la possibilité de contrôler ces instabilités de bulbes de façon active par ajout de turbulence ou en générant des microrugosités virtuelles avec les actionneurs DBD. A plus haut Reynolds, dans les couches-limites attachées, des études ont montré qu'il est possible de contrôler les instabilités de Tollmien-Schlichting, par effet stationnaire, en ajoutant de la quantité de mouvement, ou par effet instationnaire. L'idée est d'exploiter une configuration avec plusieurs actionneurs DBD en série, en optimisant leur consommation énergétique. Le travail de thèse comprendra plusieurs campagnes expérimentales en soufflerie, menées à l'ONERA Toulouse et à l'ISAE/DAE afin de caractériser l'effet des actionneurs DBD sur ces instabilités de couche limite via plusieurs techniques de mesure (anémométrie à fil-chaud, thermographie Infra-Rouge, PIV) mise en œuvre sur des maquettes d'aile ou de plaque plane déjà existantes. Ces résultats expérimentaux seront comparés à des calculs de couche limite et des analyses de stabilité linéaire locale.

This PhD is part of the improvement of aircraft aerodynamic performance, with two targeted applications: small-size drones and civil aviation. Small-size drones operate at low speed, thus at low Reynolds number. Under these conditions, the boundary layer is particularly prone to separation, degrading aerodynamic and acoustic performance. In the case of civil aviation, at higher Reynolds numbers, the laminar-to-turbulent transition occurs very quickly near the leading edge, increasing skin friction drag. Delaying this transition would reduce fuel consumption, and therefore the environmental impact. In both contexts, active flow control using DBD-type plasma actuators allows modification of boundary layer instabilities. At low Reynolds number, recent studies have shown that instabilities in separation bubbles are sensitive to external turbulence and to micro-roughness located upstream. The idea is therefore to study the possibility of actively controlling these bubble instabilities by adding turbulence or by generating virtual micro-roughness using DBD actuators. At higher Reynolds number, in attached boundary layers, studies have shown that Tollmien-Schlichting instabilities can be controlled, either by stationary effect, by adding momentum, or by unsteady effect. The idea is to exploit a configuration with several DBD actuators in series, optimizing their energy consumption. The PhD work will include several experimental campaigns in wind tunnels, conducted at ONERA Toulouse and at ISAE/DAEP, in order to characterize the effect of DBD actuators on these boundary layer instabilities via several measurement techniques (hot-wire anemometry, infrared thermography, PIV) implemented on existing wing or flat plate models. These experimental results will be compared with boundary layer computations and local linear stability analyses.