Doctorat 2016-19 (Srikar VENKATA) – Cotutelle Delft University

Interfaces plasma-fluide multi-échelle pour la manipulation des écoulements de cisaillement

Ce projet de recherche est axé sur l’analyse des interactions plasma-fluide à l’interface entre un plasma macro, ou micro-échelle, et de l’air à condition atmosphérique. Ces interactions seront utilisées dans l’objectif d’imposer des perturbations de faible amplitude afin d’exciter les instabilités secondaires qui se forment à l’interface de deux fluides en translation avec des vitesses différentes. Grâce au financement du LABEX INTERACTIFS, cette recherche établie une collaboration formelle entre l’Institut P’ et le Groupe d’Aérodynamique de la Faculté d’ingénierie aérospatiale de TU Delft au Pays-Bas.

Les actionneurs basés sur les décharges à barrière diélectrique (DBD) permettent de manipuler un écoulement gazeux grâce à la force ElectroHydroDynamic (EHD) qu’elles génèrent. Ces actionneurs, à la géométrie souvent très simple, sont couramment employés en laboratoire pour différentes applications de contrôle d’écoulement. Dans leur configuration la plus simple, ils sont constitués de deux électrodes conductrices séparées par une mince couche de matériau diélectrique. Lorsque l’actionneur est alimenté par une source de tension alternative, une décharge est générée le long de la surface diélectrique qui sépare les deux électrodes. Les ions et électrons générés par le fort niveau de tension appliqué (plusieurs kV) sont accélérés par le champ électrique provoquant ainsi vent dit ‘ionique’ ou ‘électrique’. En effet, les collisions multiples entre les ions et électrons avec les particules neutres du gaz est la source d’un fort transfert de quantité de mouvement. La possibilité d’introduire des perturbations spatiales et temporelles a largement contribué à l’intérêt pour les actionneurs de type DBD.

L’interface entre deux flux présente souvent des profils de vitesse de type inflectionnel à l’image des écoulements de type couche de mélange. De tels profils de vitesse engendrent des instabilités non visqueuses qui provoquent une transition laminaire-turbulente, une transition souvent recherchée dans les applications industrielles. Une instabilité, dite primaire, conduit à la formation de structures turbulentes à grande échelle qui constituent une turbulence organisée. Lors de leur convection, ces instabilités croissent et déstabilisent l’écoulement. Il en résulte une instabilité secondaire qui se développe rapidement et provoque une transition dans la couche de cisaillement.

Le projet collaboratif de recherche proposé ambitionne de contrôler la transition dans les couches de cisaillement en manipulant les instabilités primaire et secondaire à l’aide d’actionneurs plasma. En travaillant sur la géométrie de l’actionneur, il peut introduire des perturbations dont l’amplitude est modulée spatialement selon l’envergure afin de cibler une manipulation de l’interface fluidiqiue. Ce type d’approche a été très récemment réalisé dans le cadre d’un MSc conduit à TU Delft (Yadala Venkata, 2016) où un actionneur DBD modulé en espace a été utilisé pour contrôler de façon stationnaire l’instabilité transverse dans une couche limite d’aile en flèche. Un actionneur dédié a du être développé à cet effet (voir Figure 1). Dans ces travaux, les modes d’instabilité transverses stationnaires ont pu être verrouillées grâce au forçage (Figure 2) mais la transition du flux gazeux vers un régime turbulent n’a pas été observée du fait de l’amplification des instabilités transverses instationnaires. Les résultats de ce MSc serviront de base pour la recherche doctorale ou il s’agira de concevoir des actionneurs à différentes échelles spatiales et aux modes de forçage fortement instationnaires depuis les basses fréquences de l’écoulement jusqu’aux fréquences relatives aux échelles dissipatives de la turbulence.

L’excitation et le contrôle de l’instabilité secondaire sans modification de l’instabilité primaire seront cependant une tâche délicate à réaliser. En effet, ces modes d’instabilité sont relatives à des structures à petite échelle se produisant donc à des fréquences très élevées et affichant une croissance et amplification rapide. Des actionneurs DBD basés sur des décharges plasma à micro-échelles seront conçus et développés afin d’interagir avec ces modes. Cependant, en pratique, un actionneur unique à micro échelle pour contrôler des structures d’écoulement se développant à grande échelle est impossible. Ainsi, ces actionneurs seront arrangés en série afin d’imposer des perturbations aux échelles spatiales adaptées. De plus, une particularité des actionneurs à micro-échelle est le régime de décharge et surtout la densité d’espèce produite. Une part des travaux réalisés seront consacrés à une caractérisation rigoureuse des propriétés mécaniques et électriques de ces actionneurs à petite échelle. Un nouveau système de métrologie optique par PIV micro-tomographique sera développée afin de capter l’évolution temporelle de l’écoulement produit par des décharges plasma à micro-échelle. Ces résultats seront utilisés notamment afin d’accéder à la force exercée par l’actionneur par inversion des équations de Navier-Stokes, force pouvant être aisément introduit dans un modèle numérique.

Résultats attendus. La recherche doctorale réalisée dans le cadre des collaborations internationales du LABEX INTERACTIFS devrait contribuer à:

  • Une meilleure compréhension des phénomènes aux interfaces plasma/fluide
  • Concevoir, fabriquer et analyser des actionneurs plasma à micro-échelle
  • Définir et valider une nouvelle technique de mesure tridimensionnelle de liquide en phase gazeuse pour capturer et étudier les champs de vitesse induits par des décharges à micro-échelle
  • Contrôler des ondes d’instabilité primaire en mettant en œuvre un forçage transverse à l’aide d’actionneurs DBD
  • Contrôler l’instabilité secondaire et par suite la transition laminaire-turbulente dans un fluide en cisaillement
  • Etablir les futures applications de ces actionneurs (écoulement massivement ou partiellement séparés, aéro-acoustique, propulsion, interactions fluide-structure, échanges thermiques,…)

 

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Figure 1 – Actionneur DBD module en espace pour le contrôle stationnaire d’instabilités transverses dans une configuration de couche limite développée sur une aile en flèche.

 

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Figure 2 – Champs de vitesse moyenne par PIV lorsque le mode transverse stationnaire (9 mm) est forcé par l’actionneur DBD. L’écoulement arrive de la droite.

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