Microsystèmes Magnéto-Mécaniques (MMMS) pour le contrôle actif d'écoulements aérauliques
Institution:
Ecole Centrale de LilleDisciplines:
Directors:
Abstract EN:
Situated at the intersection between the needs of the Aerospace industry and the possibilities of the MEMS community, this thesis deals with the dimensioning, realization and characterization of flexible membrane microvalves producing pulsed jets for active flow control on one hand, and of integrated magnetostrictively actuated microactuators on the other hand. A preliminary study the physics of flow control and of the industrial needs in such a domain, yield the definition of precise specifications. Two characterization benches were subsequently built in order to measure the properties of millimetre sized pulsed jets by high speed shadowgraph and hot wire anemometry. The microvalve, which actuation principle is based on the pinching of a microfluidic channel by a flexible membrane was designed, fabricated and characterized. A theoretical study of the static and dynamical characteristics of the fluid-structure coupled system yield the identification of three actuation means and their characteristic bandwidth: electromagnetic actuation (0-600 Hz), assisted self-oscillation (400-1500Hz), and self-oscillation (1kHz – 2. 5 KHz). The fabricated prototypes show an outlet speed superior to 100 m/s in each of these frequency ranges. A numerical simulation study was then undertaken in order to maximize the outlet speed via the optimization of the microchannel geometry. Microvalve arrays were finally packaged and installed in wind tunnel for further research on detached flows. An innovative microsystem design consisting in a cantilever covered with a nanostructured magnetostrictive film was finally investigated. Using the huge sensitivity gain obtained by the induction of a magnetic instability
Abstract FR:
Situé à l’intersection des besoins de l’industrie aéronautique et des possibilités offertes par les microtechnologies, le travail présenté concerne le dimensionnement, la réalisation et la caractérisation de micro-actionneurs à membrane souple permettant la fabrication de micro-jets pulsés pour le contrôle actif de décollement d’une part, et de micro-actionneurs à actionnement magnétostrictif intégré d’autre part. Ainsi, un cahier des charges précis a d’abord été défini suite à l’analyse des phénomènes fluides liés au contrôle de décollement et à l’identification des besoins industriels dans ce domaine. Deux bancs de mesure ont ensuite été mis en place de manière à permettre la caractérisation complète des microjets pulsés, par ombroscopie ultra-rapide et anémométrie au fil chaud. Un prototype de microvalve au fonctionnement fondé sur le pincement d’un canal microfluidique à l’aide d’une membrane souple a été dimensionné puis fabriqué. Une étude théorique en statique et dynamique du système couplé fluide-structure a permis d’identifier trois types d’actionnement et leur plage fréquentielle caractéristique : actionnement éléctromagnétique (0-600 Hz), auto-oscillation assistée (400-1500Hz) et auto-oscillation (1kHz – 2. 5 KHz). Les prototypes fabriqués montrent une vitesse de sortie supérieure à 100 m/s dans chacune de ces plages fréquentielles. L’optimisation de la géométrie des microvalves a ensuite été réalisée, ainsi qu’un premier packaging permettant la mise en place de barrettes d’actionneurs en soufflerie. Enfin, un microsystème innovant dont l’actionnement est fondé sur la vibration d’une micro-poutre recouverte d’un film magnétostrictif a été dimensionné et réalisé