Etude et développement d'un actionneur plasma à décharge à barrière diélectrique : application au contrôle d'écoulement sur profil d'aile
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Abstract EN:
The Dilectric Barrier Discharge (DBD) employed here consists of a surface electrical discharge established in air at atmospheric pressure on a dielectric wall. This discharge ionizes the ambient air and the produced species charged submitted to Coulomb forces induce by a momentum transfer a flow called electric wind. Recently, the ability of this device to control subsonic airflow around of aerodynamic profils has been demonstrated. The DBD used here is called plasma actuator. These actuators are able to modify the boundary layer close to the wall by the electric wind. The goal of this thesis is to improve the aerodynamic performances of an airfoil, either by increasing its lift or by reducing its drag, either by delaying the stall of the profile. The present work divides in two parts. The first part has consisted in developping and optimizing a dielectric barrier discharge in order to understand its operating. For that, a parametric study has been conducted by varying the electrical, physical and geometrical parameters. Electrical and mechanical measurements have been realised. Then the electromechanical parameters such as efficiency have been determined and compared. These different studies allowed to define a system of parameters allowing to obtain an optimum DBD in terms of electric wind generation and fiability. The second part has consisted in integrating the optimised plasma actuator on a NACA 0015 profile and in testing its effectiveness to control an airflow up to 40 m/s. For that, Particle Image Velocimetry (PIV) measurements and force balance measurements have been realized without, and then with control. The influence of different parameters (frequency and intensity of excitation, operation mode) has been investigated. It was highlighted an airflow modification under the effects of control which favors the reattachemnt or the detachment. The effectiveness of the steady and unsteady actuations of the actuator has been compared. Modulated by a dimensionless frequency F+, the unsteady mode presents equivalent results and even greater than the steady actuation while reducing the consumption of the DBD.
Abstract FR:
La Décharge à Barrière Diélectrique (DBD) employée ici consiste en une décharge électrique établie dans l’air à pression atmosphérique à la surface d’un isolant. Cette décharge ionise l’air ambiant environnant, et les espèces chargées générées soumises à la force de Coulomb induisent, par transfert de quantité de mouvement, un écoulement appelé vent électrique. Récemment, la capacité de ce type de dispositif à contrôler un écoulement subsonique autour de profils aérodynamiques a été mise en évidence. La DBD employée dans ce sens est appelée actionneur plasma. Ces actionneurs peuvent modifier les écoulements de couche limite en proche paroi par l’intermédiaire du vent électrique. Le but de la thèse est d’améliorer les performances aérodynamiques d’une aile, soit en augmentant sa portance, soit en réduisant sa traînée ou bien encore en retardant le décrochage du profil. Le travail réalisé se divise en deux grandes parties. La première partie a consisté à développer puis optimiser une décharge à barrière diélectrique afin de mieux comprendre son fonctionnement. Pour cela, une étude paramétrique a été effectuée, en faisant varier les grandeurs électriques, physiques et géométriques. Des mesures électriques et mécaniques ont été réalisées, puis des grandeurs électromécaniques comme le rendement par exemple ont été estimées et comparées. Ces différentes études ont permis de définir un ensemble de paramètres permettant d’obtenir une DBD optimum en termes de génération de vent électrique et de fiabilité. La seconde partie a consisté à intégrer l’actionneur plasma optimisé sur un profil symétrique NACA 0015, et de tester son efficacité dans un écoulement d’air allant jusqu’à 40 m/s. Pour cela, des mesures Particle Image Velocimetry (PIV) de l’écoulement autour du profil et des pesées aérodynamiques ont été réalisées sans, puis avec contrôle. L’influence de différents paramètres (fréquence et intensité de l’excitation, mode en fonctionnement) a été étudiée. Il a été mis en évidence une modification de l’écoulement sous les effets du contrôle qui favorise soit le processus de recollement de la couche limite ou soit le décollement. L’efficacité des actions continue et instationnaire de l’actionneur a été comparée. Modulée par une fréquence adimensionnelle F+, le mode instationnaire présente des résultats équivalent voire supérieur au mode continu tout en réduisant la consommation spécifique de la DBD.