Etude de l'écoulement induit par une décharge à barrière diélectrique surfacique : contribution au contrôle des écoulements subsoniques par actionneurs plasmas, Study of the flow induced by a surface dielectric barrier discharge : contribution to subsonic airflow control by plasma actuators

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Sous la direction de Azeddine Kourta
Thèse soutenue le 10 décembre 2009: Orléans
La réduction de la résistance à l’avancement par des techniques de contrôle active sera une nécessité d’importance croissante dans les années à venir pour le secteur des transports. Cette thèse fait partie d’une nouvelle voie de recherche consistant à utiliser des décharges plasmas à pression atmosphérique pour modifier les écoulements en vue d’améliorer les performances aérodynamiques (diminution de la traînée et augmentation de la portance). L’actionneur retenu est une décharge à barrière diélectrique surfacique avec un diélectrique composé d’une combinaison de deux matériaux polymères souples. L’écoulement induit par l’actionneur plasma, appelé vent ionique, est d’abord étudié expérimentalement dans l’air au repos en fonction du régime de la décharge. Une loi empirique liant la vitesse du vent ionique à la tension et à la fréquence de l’alimentation est proposée. De cette loi se dégagent une vitesse et une longueur caractéristiques utilisées pour prédire les principales propriétés du jet de paroi induit en aval de la décharge (lois d’échelle). L’efficacité de l’actionneur est ensuite testée en soufflerie subsonique pour trois configurations aérodynamiques de complexité croissante : couche limite laminaire non décollée (plaque plane), couche limite turbulente décollée (profil épais) et couche limite décollée 3D (corps de Ahmed, lunette inclinée à 25°). Des résultats significatifs tant sur le plan de la modification de la topologie de l’écoulement que de l’amélioration des efforts aérodynamiques sont obtenus pour des nombres de Reynolds jusqu’à 1,7.106 (35 m/s).
-Actionneur plasma
-Vent ionique
-Corps de Ahmed
Active flow control is a key issue to meet the environmental requirements for the next generations of aircrafts and cars. The aim of this work is to study subsonic airflows control by plasma actuators in order to improve aerodynamic performances (drag reduction and lift enhancement). The actuator consists in using a surface dielectric barrier discharge with a thin dielectric made by a combination of two polymer materials. The first part of this work is dedicated to the experimental study of the flow induced by the actuator in quiescent air according to the regime of the discharge. An empirical law is proposed in order to determine the velocity of the ionic wind as a function of the high voltage and the frequency of the actuator. From this law the main properties of the wall jet induced by the discharge are predicted. In the second part of the study the actuator is used for wind tunnel experiments for three configurations of increasing complexity: laminar boundary layer (flat plane), separated turbulent boundary layer (wing profile) and 3D separated boundary layer (Ahmed body with rear window tilted at 25°). Significant results are obtained for Reynolds numbers up to 1.7.106 (35 m/s).
-Plasma actuator
-Ionic wind
-Ahmed body
Source: http://www.theses.fr/2009ORLE2059/document
Publié le : jeudi 27 octobre 2011
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UNIVERSITÉ D’ORLÉANS



ÉCOLE DOCTORALE SCIENCES ET TECHNOLOGIES
INSTITUT PRISME

THÈSE présentée par :
Vincent BOUCINHA


Soutenue le 10 décembre 2009

pour obtenir le grade de : Docteur de l’Université d’Orléans
Discipline : Aérodynamique et Mécanique des Fluides, Combustion, Thermique


Etude de l’écoulement induit par une décharge à
barrière diélectrique surfacique – Contribution au
contrôle des écoulements subsoniques par
actionneurs plasmas




THÈSE dirigée par :
Azeddine KOURTA Professeur, Université d’Orléans, PRISME

RAPPORTEURS :
Jean-Paul BONNET Directeur de recherche au CNRS, LEA, Poitiers
Jean-Pierre BOEUF Directeur de recherche au CNRS, LAPLACE, Toulouse
_________________________________________________________________

JURY :
Eric MOREAU Professeur, Université de Poitiers, LEA – Président du jury
Jean-Pierre BOEUF Directeur de recherche au CNRS, LAPLACE, Toulouse
Jean-Paul BONNET Dir de recherche au CNRS, LEA, Poitiers
Kwing-So CHOI Professeur, Université de Nottingham
Patrick GILLIERON Chef de Groupe Recherche, Renault
Dunpin HONG Professeur, Université d’Orléans, GREMI
Azeddine KOURTA Professeur, Univd’Orléans, PRISME
Régine WEBER Maître de Conférences, Université d’Orléans, PRISME

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Aux instigateurs de la tour rose,
à ceux qui ont déjà su emprunter ses marches,
à ceux qui continuent de les monter…


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« La vie ne raconte pas des histoires.
La vie est chaotique, fluide, aléatoire ;
elle propose une myriade de fins ouvertes, sans ordre »


Aren‟t You Rather Young To Be Wrinting Your Memoirs ?
Bryan Stanley Johnson (1933 – 1973)

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tel-00501829, version 2 - 14 Apr 2011Avant-propos >

Cette thèse a été effectuée au sein de l‟équipe Ecoulements et Systèmes
Aérodynamiques (ESA) de l‟Institut PRISME dont la direction revient désormais à
Christine Mounaim-Rousselle. Peu coutumière du fait du chef, elle impulse une réelle
dynamique au sein du laboratoire dont j‟ai pu profiter dans les moments de doute. Je la
remercie pour avoir accepté d‟assurer la direction de ma thèse en deuxième année,
notamment aux détours de ce fameux colloque lisboète. Mes remerciements vont
ensuite à Azeddine Kourta qui a bien voulu prendre le relais de la direction en arrivant
à l‟Université d‟Orléans en 2008. Je le suis reconnaissant d‟avoir prolongé la confiance
que, jusque là, l‟équipe avait bien voulu m‟accorder. Il m‟a ainsi laissé entière liberté
quant à l‟organisation finale de mon travail tout en m‟apportant son expérience dans le
domaine du contrôle des décollements pour la synthèse de mes résultats.
Je remercie également Régine Weber qui a suivi ce travail du début à la fin, de
mon apprentissage des principales techniques expérimentales pour l‟aérodynamique à
la relecture attentive du manuscrit. Elle n‟est pas étrangère à la confiance, la liberté et
la possibilité de formation importante qui m‟ont été offertes. Elle m‟a toujours permis
de considérer la soufflerie comme un réel atelier d‟expérimentation et laissé la
possibilité de représenter l‟équipe au cours de manifestations scientifiques en France et
à l‟étranger. Elle m‟a aussi permis d‟encadrer des étudiants en réalisant des vacations,
en somme, d‟appréhender le métier d‟enseignant-chercheur. Egalement présent du
début à la fin, Dunpin Hong a su éclaircir la plupart de mes doutes et incertitudes au
sujet de la physique des plasmas ; je le remercie pour sa disponibilité, surtout les veilles
de colloques…
Je suis également reconnaissant envers les deux rapporteurs de mes travaux,
Jean-Paul Bonnet et Jean-Pierre Bœuf, qui m‟ont fait l‟honneur d‟accepter d‟émettre un
avis sur un document à la longueur repoussante dans un délai relativement court. Je les
remercie pour toutes les critiques constructives qu‟ils ont formulées avant et pendant la
soutenance, nous permettant ainsi d‟échanger nos points de vue durant de longues
minutes. Les autres membres du jury ne sont pas non plus étrangers à la longueur des
débats. Pour leur contribution à la critique bienveillante de mes travaux, je remercie
vivement Eric Moreau, à l‟origine du lancement de la thématique en Europe, Kwing So-
Choi, spécialiste des techniques de réduction de frottement et enfin Patrick Gilliéron,
dont les essais menés sur le corps de Ahmed avec son équipe m‟ont inspiré pour la
rédaction de la dernière partie de ce manuscrit.
Cette thèse s‟est déroulée dans le cadre d‟une collaboration avec le CNRT-R2A
dont je remercie l‟actuel président du bureau, Vincent Herbert. J‟ai été
particulièrement sensible à l‟intérêt qu‟a témoigné le président du comité scientifique à
l‟égard de mes travaux, Jean Délery, en me faisant l‟honneur de venir assister à la
soutenance.

L‟expérimentation ne peut se faire sans montage, sans bricolage et sans une dose
de créativité. Le sujet sur lequel il m‟a été donné de travailler m‟a demandé d‟être
appliqué, exigeant mais aussi tenace et persévérant ; d‟autres personnes m‟ont
accompagné dans ces efforts…
Je tiens ainsi à remercier Stéphane Loyer, gardien de la soufflerie, pour sa
disponibilité, sa compétence et sa bonne volonté en toutes circonstances. Il a largement
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contribué à ce que les meilleurs essais s‟accompagnent des meilleures blagues !
J‟adresse également mes remerciements aux autres membres de l‟équipe ESA tant pour
leur apport scientifique que leur soutien moral ; je pense en particulier à Annie Leroy et
à Sandrine Aubrun avec qui j‟ai pu partagé des moments très plaisants tant au sein
qu‟en dehors du laboratoire, à Seattle ou Lille notamment.
Je suis plus particulièrement reconnaissant envers Romain Joussot avec qui nous
avons constitué un parfait binôme pendant près de deux ans. Je le suis gré d‟avoir
consacré tant d‟énergie aux expériences, à leur mise en place, leur réalisation et leur
discussion ; je lui souhaite bonne chance pour la fin de sa thèse et lui promets que, lui
aussi, aura droit à son nom en plasma ! Pour leur contribution à ce travail, je remercie
aussi les autres personnes qui ont fait ou continuent de faire partie de l‟équipe de
recherche orléanaise sur le contrôle par plasma : Pierre Magnier, Binjie Dong, Hervé
Rabat, Pierre Audier et Jérôme Pons ; ce dernier m‟ayant spontanément faire part de
commentaires pertinents pour la rédaction du deuxième chapitre. Finalement, les
nombreuses heures passées à créer du vent ionique auront été agrémentées des
contributions de plusieurs étudiants de Polytech‟Orléans que je remercie aussi : Emilie
Sauvage, Quentin Carlier, Yorick Mathias et Yann Recoquillon.

Puisqu‟il m‟est donné l‟occasion ici, précieuse, de mettre en avant les personnes
qui m‟auront permis de joindre l‟utile à l‟agréable, je souhaiterais remercier l‟ensemble
des membres de l‟ex-LME. En premier lieu les doctorants promus ou en devenir :
Guillaume, qui m‟a apporté de réelles bouffées d‟oxygène quand l‟ozone me montait à la
tête et avec lequel j‟ai partagé un savant mélange de détente et d‟application dans nos
thèses respectives ; Adrien, auprès de qui je me serais escrimé à faire passer le message
« sans contrôle, la puissance n‟est rien » ; Ludo pour son amitié, les échanges
tennistiques et sa motivation à organiser des moments festifs en dehors de nos prises
de tête scientifiques ; Carole qui m‟a fait comprendre qu‟elle pouvait faire une thèse en
maths sans pour autant savoir compter le temps qu‟elle accorde aux autres et à sa
famille ; les motoristes, Mathieu et Toni, pour qui l‟heure du débrayage arrivera
bientôt. L‟ambiance particulièrement agréable, voire rare, que l‟ensemble des membres
de l‟ex-LME contribue à créer a été déterminante pour mon intégration rapide dans le
laboratoire. J‟ai été très sensible aux mots de félicitations et d‟encouragement que
beaucoup m‟ont adressé sur un carnet fait de ce fameux diélectrique blanc. Je ne
saurais tous les nommer par peur d‟en oublier ; ils se reconnaîtront à l‟évocation du
« qu‟est-ce qu‟on est mal payé, mais qu‟est-ce qu‟on rigole ! ».
Je tiens finalement à exprimer toute ma reconnaissance à ma famille et belle-
famille pour le soutien intangible qu‟elle m‟a toujours apporté. J‟ai été porté par leur
présence à la soutenance, ainsi que par celle de Simon, qui plus est, aura contribué à
photographier le vent ionique. Je remercie plus particulièrement mes parents pour la
liberté qu‟ils ont su me laisser dans mes choix universitaires et professionnels, les plus
simples à formuler. Ils se sont toujours effacés, discrètement, tout en étant de bon
conseil pour m‟aiguiller dans mes choix de vie, les plus délicats à formuler. Leur
altruisme me portera toujours ; leur abnégation devant les épreuves difficiles me
renforcera sans cesse. J‟adresse aussi plusieurs clins d‟œil à la cinquantaine de copains
qui ont rallié, de toute part, la Montjoie pour un week-end de fin de thèse mémorable.
Leur présence et leur réponse positive à l‟appel festif m‟a sincèrement touché et
conforté dans l‟idée qu‟il était grand temps de passer à autre chose.
Au-delà de l‟accomplissement d‟un dur et long labeur, c‟est avant tout la
satisfaction d‟avoir trouvé un équilibre personnel qui me porte désormais. Mes
dernières pensées vont donc tout naturellement à Claudie, qui a su m‟accompagner et
comprendre mon investissement dans ce défi, autant personnel que professionnel, en
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tel-00501829, version 2 - 14 Apr 2011me permettant de m‟y consacrer pleinement. Ses talents de communicante m‟ont
également permis de peaufiner la présentation de ce manuscrit et de le rendre dans un
délai raisonnable. « Grâce » à cette thèse, nos dimanches matins perdus dans l‟Alfama
ont été remplacés par des samedis matins bien ancrés dans les marchés en bord de
Loire, sur laquelle j‟attends désormais, avec impatience, de voir défiler une certaine
caravane…point d‟orgue à cette aventure orléanaise !


Les quelques lignes de remerciements précédentes sont à l‟image du manuscrit
qui vous attend : dense, dans un soucis d‟exhaustivité. Je serai ainsi très heureux qu‟il
puisse vous accompagner dans la découverte de la thématique ou bien qu‟il vous
permette d‟approfondir les résultats qui y sont présentés. N‟hésitez pas à me faire part
de vos commentaires !






































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