Post-doctorat 2013-2015 (Rakshit Tirumala – Pierre Audier)

Transfert de chaleur assisté par décharge plasma

Dans le thème 5.3, l’objectif est d’utiliser les actionneurs plasmas pour améliorer les échanges thermiques par action sur l’aérodynamique d’un jet de paroi (axes EFD et COST de Pprime). Une première étape a consisté à mesurer la chaleur produite par l’actionneur en l’absence d’écoulement libre et à déterminer l’origine de la chaleur produite par la décharge seule. Les diagnostiques utilisés sont à la fois électriques, optiques et thermiques. Une étude paramétrique, faisant varier un grand nombre de paramètres électriques et géométriques, a été effectuée de façon à mieux comprendre les phénomènes physiques qui lient la décharge et la production de chaleur. A titre d’exemple, la figure 1a présente une visualisation (vue de dessus) par caméra IR d’une DBD alimentée par une haute tension sinusoïdale à 1 kHz. Elle montre que la production de chaleur n’est pas homogène le long de l’électrode active, qu’elle diminue lorsqu’on s’éloigne de cette électrode et qu’une augmentation de plus de 20°C est observée. La figure 1b montre une visualisation iCCD de cette même décharge, durant la phase croissante (streamer régime) et décroissante (glow régime) de la tension.

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Figure 1. Visualisations par caméra infra-rouge de la chaleur produite (a) et de la production de « streamers » et « spots » d’une décharge de type DBD alimentée par une haute tension sinusoïdale.

La figure 2a montre une superposition d’une image iCCD où l’on peut voir les « spots » de la décharge négative de type « glow » et d’une image par caméra IR ; il apparait que les points chauds correspondent à la position des « spots ». En effet, la figure 2b confirme la corrélation spatiale entre la position des « spots » et des points chauds. La principale conclusion de ces travaux est que la chaleur locale n’est pas produite par les streamers positifs mais par les spots négatifs. Cette étude démontre également que la chaleur produite par la décharge elle-même n’est pas rédhibitoire dans l’application ciblée.

 

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Figure 2. Images iCCD et IR alignées (a) et température (rouge) et intensité lumineuse (bleu) normalisée tout le long de l’envergure de la décharge.

Les premières mesures d’écoulement ont été réalisées récemment pour quelques cas seulement. Le principe de l’expérience est décrit en Figure 3. L’écoulement principal et la vitesse d’éjection du jet débouchant sont maintenus à une même vitesse de 5 m/s. L’actionneur est positionné en aval du jet débouchant afin d’utiliser la région d’aspiration au-dessus de l’électrode haute-tension pour maintenir le jet dans la partie basse de la zone de mesure. Les premiers résultats confirment que la décharge est susceptible de repositionner et maintenir, en moyenne temporelle, le jet débouchant dans une région au contact de la paroi inférieure (Figure 4a). En présence des deux flux d’air isothermes, l’actionneur plasma a confirmé sa capacité à maintenir recollé le jet débouchant (Figure 4b).

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Figure 3. Schéma de principe du système de refroidissement de paroi assisté par décharge plasma de surface.
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(a) (b)
Figure 4. Influence de la décharge de surface sans écoulement extérieur (a) et effet de la décharge pour un écoulement externe et jet débouchant à 5 m/s (b).

 

Les essais préliminaires étant terminés, cette action entre dans une nouvelle phase durant laquelle les diagnostiques mécaniques et thermiques seront couplés afin de quantifier le gain obtenu par ce type de système totalement original. Cette nouvelle phase s’intéresse également à l’optimisation des effets du contrôle par une étude paramétrique, à la fois sur les conditions d’opération de la décharge (décharge continue, pulsée, influence de la tension, fréquence, etc,..) mais également sur les conditions d’écoulement.


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