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Responsables de thème

Eric Moreau (eric.moreau@univ-poitiers.fr / +33 5 49 49 69 33  )
David Babonneau (david.babonneau@univ-poitiers.fr / +33 5 49 49 67 25 )


Lorsqu’un fluide est en contact avec une paroi solide, une charge d’espace se développe en raison de deux mécanismes différents :

  • La génération et l’accumulation de charges électriques à l’interface solide-fluide en raison d’échanges physiques et chimiques (sans contraintes externes). Dans ce cas, le mouvement du fluide entraîne des risques d’électrification des flux et d’électrostatique
  • L’injection de charges électriques dans le fluide par un potentiel. L’application d’un champ électrique externe produit alors un flux ionique dû aux forces d’EHD, sans aucune pièce mécanique en mouvement

Ces deux mécanismes ont été largement étudiés dans le passé, mais ils ne sont pas bien compris en raison de la complexité des phénomènes physiques et chimiques multi-échelles impliqués qui dépendent des propriétés des deux matériaux en contact. De plus, lorsque le fluide est de l’air, une décharge électrique de surface est nécessaire pour produire une force d’EHD à l’interface solide. Ces actionneurs à plasma ont déjà démontré leurs capacités en matière de contrôle efficace du flux d’air en temps réel et d’amélioration du transfert thermique, mais ils sont en réalité limités aux applications de flux d’air subsoniques à faible vitesse, dans des géométries simples, à l’échelle centimétrique au millimètre. Leur efficacité pourrait être améliorée en modifiant les propriétés du matériau solide et en imaginant de nouvelles stratégies de contrôle.

Ce sujet, qui comprend des parties des thèmes 3, 5 et 6 du Labex I, poursuit trois objectifs principaux. Le premier vise à mieux comprendre les phénomènes électriques se produisant aux interfaces solide-fluide. Pour cela, une forte collaboration entre les chercheurs en électro-hydrodynamique, tribologie et physique des matériaux est nécessaire pour expliquer les phénomènes électriques observés généralement à l’échelle millimétrique, par des mécanismes se produisant aux micro et / ou nano-échelles (en collaboration avec sujets 1 et 2). Le deuxième objectif est d’utiliser ces phénomènes électriques, qui prennent leur origine à très petite échelle, pour des applications industrielles à grande échelle dans les domaines de la science de l’ingénierie et de l’énergie. Enfin, le dernier objectif est d’améliorer les performances des systèmes multi-physiques aux interfaces (transferts de masse et de chaleur, performances aérodynamiques ou hydrodynamiques, réduction des nuisances sonores) en utilisant des stratégies de contrôle de flux passif et / ou actif. Ainsi, les compétences des chercheurs travaillant sur les applications électriques, mécaniques, thermiques et de combustion seront mises à profit.

Pour atteindre ces objectifs, la première partie de nos recherches pourrait être consacrée à la charge d’espace se développant à une interface liquide-solide, en mettant l’accent sur trois thèmes :

  • Le rôle des caractéristiques de la surface solide dans le développement de la double couche électrique entraîne l’électrification des flux (en relation avec le thème 2)
  • La génération de charge aux interfaces solide-liquide-solide et son contrôle pour la lubrification active ou la récupération d’énergie
  • L’effet des contraintes mécaniques sur le transfert de charge, de masse et de chaleur dans les électrolyseurs et les piles à combustible

De plus, l’application d’un champ électrique externe dans un liquide au repos pouvant entraîner son mouvement, les recherches sur de tels actionneurs EHD pourraient être étendues à petite échelle pour développer des systèmes microfluidiques. La dernière application devrait concerner la combustion assistée par EHD avec des sprays chargés électriquement.

La deuxième partie portera sur les actionneurs à plasma pour le contrôle des flux subsoniques et potentiellement pour les flux hypersoniques. Ainsi, comme les flux proches des parois peuvent être contrôlés avec très peu d’énergie s’ils sont dirigés avec précision au bon endroit et au bon moment, on peut imaginer de nouvelles conceptions d’actionneurs à plasma, telles que des matrices de micro-plasmas de surface qui pourraient dépose de l’énergie à n’importe quel endroit du mur, à tout moment. Cela nécessite de nouvelles recherches sur les alimentations haute tension et un effort important en matière de réduction de la taille de l’actionneur en utilisant de nouveaux procédés de fabrication, tels que la photolithographie et / ou la technique FIB (thème 2). De plus, l’influence des propriétés du matériau solide (telles que sa morphologie, sa structuration de surface, ses propriétés électriques) devrait être étudiée plus précisément car elles jouent un rôle clé dans la propagation de la décharge à la surface du diélectrique et dans les phénomènes d’EHD qui en résultent. De plus, les recherches sur l’amélioration de la combustion à l’aide de l’actionneur à réseau plasma devraient être prolongées et une collaboration scientifique avec des chercheurs du Labex CAPRYSSES (Université d’Orléans) pourrait être attendue.

La dernière partie portera sur les interactions entre un fluide et le mur solide le long duquel il s’écoule. Premièrement, l’influence de la morphologie de la paroi (rugosité, micro-structuration) sur les caractéristiques de l’écoulement et / ou du champ acoustique associé pourrait être analysée. Plus particulièrement, les modifications de l’écoulement au voisinage de la paroi ont pu être identifiées (transition laminaire à turbulente, turbulence, topologie des traînées, frottement de la peau, champ acoustique) et les capacités des différentes approches actives ou passives pour contrôler la turbulence et / ou ou manipuler des flux séparés doivent être étudiés. De plus, pour mieux comprendre la physique sous-jacente des phénomènes étudiés, plusieurs domaines scientifiques allant de l’analyse physique des données à la modélisation numérique, en passant par la mise en œuvre pratique de techniques de contrôle avancées, pourraient être utilisés.

Globalement, une meilleure compréhension des phénomènes électriques se produisant à une interface solide-liquide pourrait permettre de nouvelles techniques permettant de réduire les risques électrostatiques industriels en utilisant de nouveaux matériaux, d’accroître la fiabilité des membranes dans les piles à combustible et les électrolyseurs, afin de réaliser une lubrification active en utilisant des forces d’EHD ou pour séparer électrostatiquement des déchets plastiques granulaires tribochargés. En outre, ces recherches pourraient déboucher sur de nouvelles conceptions de micro-pompes pour liquides diélectriques et sur une nouvelle génération d’actionneurs à plasma basés sur des décharges de barrière de surface micro-diélectriques. Enfin, les études sur l’influence des caractéristiques de la paroi sur l’écoulement, associées ou non à des stratégies de contrôle actif avancées, devraient avoir de nombreuses applications en aérodynamique et en aéroacoustique.