Thème 5 – Transferts de chaleurs et combustion assisté par forces électriques

Responsables de thème

Eric Moreau (eric.moreau@univ-poitiers.fr / +33 5 49 49 69 33)

Jean-François Thovert (thovert@ensma.fr/ +33 5 49 49 67 78)

L’utilisation de décharges électriques pour la manipulation d’écoulements laminaires et turbulents en champs libre est largement reconnue, du moins à l’échelle d’expériences de laboratoire. Cette reconnaissance est intimement liée à la capacité de ces actionneurs à promouvoir un forçage instationnaire périodique favorisant dans certaines situations les interactions non linéaires des composantes turbulentes ou pseudo-turbulentes de l’écoulement à contrôler. En parallèle aux expérimentations d’interactions plasma/gaz, les phénomènes de dissociations et de recombinaisons ainsi que les phénomènes d’injection de charges ont démontrés leur intérêt pour manipuler des fluides en phase liquide. En théorie, l’accumulation de charges sur une interface liquide/solide permet d’obtenir un brouillard de gouttes nanométriques. En pratique, les résultats obtenus restent assez éloignés de cet objectif. Les études que nous menons dans le contexte du Labex INTERACTIFS cherchent donc à tester la validité des modèles théoriques par la mise en place d’expériences fondamentales.

Le thème 5 est construit autour des capacités des actionneurs électriques à produire, ou simplement favoriser, des structures fluidiques multi-échelles et des déplacements de matière à des échelles temporelles pilotées par le signal électrique de commande, ceci dans la région d’interface gaz/solide ou liquide/solide. Il s’agit notamment d’étendre le champ d’application de ces décharges à des domaines de recherche vierges par l’intermédiaire de collaborations inter-disciplinaires au sein de l’Institut PPRIME.

Plus précisément, le thème 5 est scindé en 3 thématiques de recherche :

  • Action 5.1. Manipulation des écoulements internes par injection de charges

Responsables : Christophe Louste / Eric Moreau

Cette action concerne l’utilisation d’actionneurs electrofluidodynamiques pour le contrôle d’écoulements. Trois points ont été ciblés par cette action : (1) Développer, comprendre et améliorer les systèmes de décharge électrique à des échelles micrométriques pour des conditions de fonctionnement en atmosphère spécifique en terme de température et de pression, conditions en lien avec les applications du domaine de la combustion assistée par plasma ; (2) Etendre la technologie de décharge à barrière diélectrique à la manipulation d’écoulement en phase liquide ; (3) Améliorer les performances des systèmes diphasiques par la mise en place de dispositifs électrohydrodynamiques afin de favoriser l’atomisation par une déstabilisation des interfaces liquide/air, un contrôle des instabilités en zone primaire d’atomisation.

Les aspects fondamentaux des décharges plasmas sont abordés dans cette action avec une attention toute particulière à la caractérisation des phénomènes d’interfaces à l’aide de mesures locales (distribution spatiale des espèces ionisées, développement de diagnostique plasma type CARS/RAMAN, échanges énergétiques multi-échelles,…). De nouveaux types d’actionneurs sont développés pour répondre aux spécificités et objectifs de l’action. On peut notamment citer la mise en place de décharges nanoseconde rampantes de surface, ou encore la fabrication et caractérisation de système de grille conductrice active pour le contrôle des échelles de turbulence par pilotage électrique.

En ce qui concerne les actionneurs EHD en phase liquide, il a été montré que la force électrique est produite à l’intérieur de couches d’hétérocharge et/ou d’homocharge qui se développent sur les interfaces liquide/solide. L’observation directe de ces couches n’étant pas possible, le travail est réalisé selon une approche inverse. L’analyse des écoulements produits permet de remonter aux phénomènes qui se déroulent sur l’interface. Le travail est mené suivant trois axes :(1) développement de méthodes de mesures adaptées à l’étude fine des écoulements électroconvectifs, (2) caractérisation et amélioration des performances des actionneurs EHD enfin (3) réalisation d’un démonstrateur destiné à démontrer les performances des systèmes EHD pour des applications de contrôle d’écoulements liquide.

  • Action 5.2. Méthodes électriques pour favoriser le mélange du carburant pour la combustion

Responsables : Nicolas Bénard / Marc Bellenoue

Les systèmes d’injection haute-pression sont des solutions innovantes mais provisoires pour une atomisation aux petites échelles, une amélioration des conditions de mélange et globalement pour l’obtention d’une combustion moins polluante. Une augmentation supplémentaire des niveaux de pression nécessaires à ces injecteurs de nouvelle génération n’est pas industriellement réaliste. L’utilisation des phénomènes de charge électrique ou l’utilisation de décharges plasma hors-équilibre sont deux options dans le développement de nouveaux systèmes de combustion. A titre d’exemple, l’action des charges électriques sur un jet ou un spray permet : une large augmentation du nombre de goutte, réduit la coalescence, favorise la dispersion, et donc globalement améliore la qualité du brouillard produit. L’action menée dans le cadre du programme INTERACTIFS concerne : (1) l’étude d’injection de charge pour la combustion par électro-spray, la présence de charges électriques favorisant une augmentation des taux d’évaporation, une augmentation des espaces inter-particules et in fine devrait conduire à une réduction de la production de suies ; (2) l’utilisation de décharge plasma de surface pour la combustion afin de faciliter les conditions d’allumage d’un mélange par dépôt local d’énergie ou de piloter l’extension de flamme par des modifications des composants chimiques réactifs sous l’effet de la région de ionisation.

  • Action 5.3. Transferts de chaleur assistés par plasma pour de nouveaux systèmes de refroidissement

Responsables : Nicolas Bénard / Eva Dorignac

Les parois de chambre de combustion résistent difficilement aux températures de flamme et aux radiations thermiques associées sans l’aide de systèmes de refroidissement efficaces. Une technique consiste à favoriser le développement de couche mince de fluide froid à la paroi de ces chambres par l’utilisation de micro-perforations et micro-injections. L’objectif de cette action est de montrer les capacités des actionneurs plasma de surface pour contribuer à l’amélioration de ce type de système. L’objectif primaire est de maintenir les jets froids éjectés des micro-perforations dans la zone d’échange thermique entre la paroi chaude et les jets froids grâce aux transferts de quantité de mouvement induis par la région de décharge. Une seconde approche consiste à maintenir les jets froids dans un régime laminaire afin d’impacter au mieux les coefficients d’échanges thermiques.

 

Activités de recherche en cours