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UNIVERSITÉ D"ORLÉANS

ÉCOLE DOCTORALE SCIENCES ET TECHNOLOGIES

Groupe de Recherches sur l"Énergétique des Milieux Ionisés

THÈSEprésentée par :

Romain JOUSSOT

soutenue le :7 décembre 2010 pour obtenir le grade de :Docteur de l"Université d"Orléans

Discipline : Physique des Gaz et des Plasmas

Étude, caractérisation et amélioration d"un actionneur plasma - Application au contrôle de la transition d"une couche limite de BlasiusTHÈSE dirigée par : Dunpin HONGProfesseur, Université d"Orléans, GREMI, Directeur de thèse Régine WEBERMaître de Conférences, Univ. d"Orléans, PRISME, Co-encadrante

RAPPORTEURS :

Olivier CADOTProfesseur, ENSTA, Palaiseau

Christophe LAUXProfesseur, École Centrale Paris, Châtenay-MalabryJURY : Stéphane PASQUIERSDirecteur de Recherche au CNRS, LPGP, Orsay, Président du jury

Olivier CADOTProfesseur, ENSTA, Palaiseau

Dunpin HONGProfesseur, Université d"Orléans, GREMI Christophe LAUXProfesseur, École Centrale Paris, Châtenay-Malabry Éric MOREAUProfesseur, Université de Poitiers, PPRIME Alain SÉRAUDIEIngénieur de Recherche, ONERA, Toulouse Régine WEBERMaître de Conférences, Université d"Orléans, PRISME

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ÉCOLE DOCTORALE SCIENCES ET TECHNOLOGIES

Groupe de Recherches sur l"Énergétique des Milieux Ionisés

THÈSEprésentée par :

Romain JOUSSOT

soutenue le :7 décembre 2010 pour obtenir le grade de :Docteur de l"Université d"Orléans

Discipline : Physique des Gaz et des Plasmas

RAPPORTEURS :

Olivier CADOTProfesseur, ENSTA, Palaiseau

Christophe LAUXProfesseur, École Centrale Paris, Châtenay-MalabryJURY : Stéphane PASQUIERSDirecteur de Recherche au CNRS, LPGP, Orsay, Président du jury

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Pierre Joliot (1932 - )

Extrait deLa recherche passionnement

Benjamin Franklin (1706 - 1790)

Remerciements

L'ecriture des remerciements est quelque chose de special pour le doctorant. Para- doxalement, cette partie debute le manuscrit de these mais n'est redigee qu'en dernier. En l'ecrivant, on se rememore donc, parfois avec emotion, toutes les personnes qui nous ont accompagne durant ces trois annees et qui ont contribue, de pres ou de loin, a cette aventure. Je vais donc t^acher de n'oublier personne et si, d'aventure, cela se produisait, ni voyez aucune intention de ma part mais juste un simple oubli. En premier lieu, je tiens a remercier vivement Jean-Michel Pouvesle, Directeur du GREMI, pour m'avoir accueilli au sein de son laboratoire. De mon point de vue de doc- torant, j'ai apprecie la maniere avec laquelle il a dirige son laboratoire. Pris par ses obli- gations, il a neanmoins toujours su garder un il sur le travail de tout le monde et s'est toujours rendu disponible a nos sollicitations. Je lui en suis reconnaissant. J'en prote egalement pour remercier Chantal Leborgne qui prendra la suite de la direction du labora- toire dans peu de temps. Je remercie egalement grandement Christine Rousselle, Directrice du laboratoire PRISME, qui m'a vu arpenter les couloirs (et les soueries) de son labo- ratoire. Cette these etant pluridisciplinaire, les nombreuses mesures aerodynamiques ont ete realisees dans son laboratoire. Je la remercie pour sa simplicite et sa bonne humeur communicative. J'ai passe d'agreables moments au sein de l'ancien LME. Je remercie chaleureusement Olivier Cadot de l'ENSTA{ParisTech et Christophe Laux de l'Ecole Centrale Paris d'avoir accepte de rapporter et juger mon travail. Je leur suis reconnaissant d'avoir lu ce manuscrit avec attention et d'avoiremis des remarques construc- tives dans leur rapport et pendant ma soutenance. Leur avis m'a permis de juger de la qualite de mon travail et je les en remercie. Je remercie vivement Stephane Pasquiers, Di- recteur de Recherche au LPGP a Orsay, d'avoir accepte de faire partie de mon jury et d'en avoir endosse la presidence. Je remercie egalementEric Moreau, Professeur a l'Universite de Poitiers, et Alain Seraudie, ingenieur a l'ONERA a Toulouse, d'avoir eux aussi accepte de faire partie de mon jury. Tous trois ont apporte des critiques constructives sur mon travail et j'ai grandement apprecie la discussion que j'ai pu avoir avec eux. Mes remerciements vont egalement a Dunpin Hong qui fut pendant ces trois annees mon directeur de these. Il m'a laisse toute latitude pour mener de front ma recherche et mes enseignements, me plongeant ainsi directement dans le quotidien d'un enseignant- chercheur. Je le remercie grandement de m'avoir toujours incite a enseigner au sein de 5 Polytech'Orleans. Certains directeurs sont reticents a voir leur thesard, ce ne fut jamais le cas pendant ma these et je lui en suis donc reconnaissant. Je tiensegalement a lui presenter mes excuses car il a appris a ses depens ce qu'etait la procrastination et qui est, malheureusement, un trait de caractere que j'ai developpe au cours de ma these. Je remercie aussi vivement Regine Weber qui a dirige cette these de maniere ecace. Je lui suis reconnaissant de m'avoir fait conance et de m'avoir laisse mener mes recherches comme je le souhaitais. Elle a toujours su ^etre presente quand j'en avais besoin, du tout debut de la these jusqu'a la preparation de la toute derniere diapositive de la soutenance (ah ce fameux graphe de stabilite lineaire!). Je lui suis aussi extr^emement reconnaissant d'avoir passe autant d'heures a corriger ce memoire. Le manuscrit nal lui doit beaucoup. Vincent, je pense que ma these ne serait pas ce qu'elle est sans toi. J'ai enormement apprecie travailler, discuter et maniper avec toi. Nous avions tous les deux la m^eme concep- tion de la recherche et cela m'a permis de produire un travail de qualite (je l'espere). Mais, toi comme moi, nous le savons bien, le jour ou nous prendrons un avion equipe d'action- neurs plasmas n'est pas pr^et d'arriver. Nous avons eu au moins la satisfaction d'apporter nos deux petits cailloux a l'edice.A vrai dire, nous sommes quelque fois partis dans tous les sens, nous nous sommes ruines la sante a rediger nos memoires mais, au nal, on aura bien rigole.A quoi bon me diras-tu, maintenant que tu demarres ta nouvelle carriere juras- sienne? J'avoue que je me pose aussi cette question maintenant... Peut ^etre simplement pour l'amour du travail bien fait. Et n'oublie pas : sans contr^ole la puissance n'est rien! Jer^ome, j'ai apprecie avoir echange avec toi mes idees, un peu farfelues, sur les ac- tionneurs plasmas et sur la physique des decharges. Nos discussions furent fructueuses, de mon point de vue en tout cas. Je me rememorerai avec nostalgie nos discussions sur la politique, l'actualite ou sur des sujets plus legers comme la meilleure methode pour fermer une porte, ranger une chaise, laisser ouvert un radiateur ou partager son bureau avec un tiers dont la conception de la vie en communaute est dierente de la notre. Ces petits moments de rigolade m'ont fait apprecier la vie de bureau. Heureusement pour nous, il ne reste plus aucune trace de nos forfaits graphiques... Pierre, je te souhaite bien du courage pour poursuivre les travaux inities a Orleans sur les actionneurs plasmas. Ne baisse pas les bras, m^eme si je pense que maintenant le prol NACA 0012 va faire partie de tes cauchemars... Tu pourras quand m^eme te targuer, a la n de ta these je l'espere, d'avoir vu voler un avion (ok, un drone) equipe d'actionneurs plasmas. J'ai apprecie travailler et discuter avec toi et je pense que maintenant tu saisis bien ce que represente de faire une these dans ce domaine. Bon courage pour la suite, et ne prend pas exemple sur Vincent et moi. Commencer a rediger sa these apres les grandes vacances est une tres mauvaise idee! Stephane, je n'aurai jamais reussi a te faire dire que j'etais un doctorant ordonne. Certes, les outils etaient eparpilles aux quatre vents, mais je savais ou ils se trouvaient! Neanmoins, j'ai enormement apprecie travailler avec toi et, m^eme si l'on te trouve un peu maniaque, ne change surtout pas! Les doctorants (et les chercheurs permanents) ont besoin d'^etre surveilles car ils restent de grands enfants. 6 Je remercie egalement chaleureusement Herve et Annie qui ont d^u faire face a mon op- timisme contagieux pendant ces trois annees. J'ai apprecie travailler avec eux, autant pour leurs qualites humaines que pour leur professionnalisme. Merci pour votre disponibilite et votre serieux. Adrien, on peut dire qu'on y est arrive! Rappelle toi en 2000, quand, assis a une table du Jules Verne, on s'etait dit... Et voila le resultat dix ans plus tard. On pourra dire qu'on aura bien rigole durant cette these. Je ne rentrerai pas dans les details mais nos discussions sur la politique, les eleves ou la these, nous auront permis de decompresser durant ces trois annees, particulierement durant notre redaction marathon... Bien evidemment, on reste en contact pour echanger nos avis toujours pertinents sur le monde de l'enseignement et de la recherche. Vanessa, c'est delicat de t'ecrire quelques mots, tu en conviendras... Je vais seulement te remercier de m'avoir accompagne pendant ma these specialement vers la n. C'est toi qui a ete aux premieres loges lors de ma redaction de these : tu m'as vu partir petit a petit et, avec du recul, j'en suis sincerement desole. Plonge dans ma redaction, je ne m'en suis pas apercu. C'est dire si la redaction est un moment a part dans la vie d'un doctorant. J'espere seulement ne pas t'avoir decourage de cette epreuve qui arrive plus vite qu'on ne le croit. Sache que je serai a tes c^otes pour t'aider lorsque ce sera ton tour. Khadija, je me rememorerai toujours le jour ou nous nous sommes rencontres. En train de preparer un TP, tu etais venu me parler de ses fameux TP d'optique... On pourra dire qu'ils nous auront vampirise une grande partie de notre these ces TP la. Mais, le point positif, c'est qu'ils nous auront permis de devenir amis. J'ai beaucoup apprecie nos discussions, parfois houleuses, autour de notreou de ton the a la menthe que tu m'as fait decouvrir et dont je suis devenu un amateur. Je te souhaite a toi aussi de surmonter cette epreuve qu'est la redaction du manuscrit. Je remercie vivement Patrick Gillieron de Renault pour le pr^et du systeme LDA 3 composantes, ainsi que Pierre Bobillier egalement de Renault et Jean Stefanini de TSI pour leur aide durant la phase de reglage. Je remercie egalement toutes les personnes avec qui j'ai pu discuter ou travailler durant cette these. Merci a Azeddine Kourta pour son implication dans la thematique, Sandrine Aubrun pour ses qualites humaines et d'ensei- gnante, Guillaume Espana pour ses, Yahia Haidous pour ne pas avoir donne a manger aux Gremlins apres minuit, Pierre Magnier avec qui j'ai decouvert cette thematique, Binjie Dong qui fut mon predecesseur, Jean-Marc Bauchire, Philippe Devi- nant, Guy Coudrat, Christophe Dubois, Sylvie Jaurion, les (nombreux) doctorants du GREMI, de PRISME et ceux rencontres pendant les dierentes formations : (par ordre al- phabetique, pas de jaloux) Alexis, Andrei, Arnaud, Caryn, Delphine, Emmanuel, Gregoire de I., Gregoire M., Louiza, Romain, Selima, Toni; et bien s^ur toutes les personnes que j'ai croise au cours de ces trois annees, que ce soit dans les couloirs du GREMI, de PRISME ou de Polytech'Orleans. Merci a tous. 7 Je terminerai en remerciant ma famille, mais pas uniquement pour leur soutien pendant cette these. En eet, j'ai arr^ete tres t^ot de tenter de leur expliquer sur quoi j'ai travaille pendant trois ans. Si je veux les remercier aujourd'hui, c'est pour la facon dont j'ai ete eduque pendant mon enfance. Mes parents et mes grands-parents m'ont toujours encou- rage a decouvrir les choses et entreprendre par moi-m^eme et ont donc su developper ma curiosite et ma soif de connaissances. Ils m'ont ainsi toujours laisse agir, dans la mesure du raisonnable bien entendu. C'est donc gr^ace a eux que je me suis naturellement engage dans cette these et que je m'y suis epanoui. Sans leur education, je n'aurais pas pu realiser tout ce travail. Merci Maman, Papa, Mamie et Papi (et Tata!). Je tiens egalement a remercier ma tante qui a passe de nombreuses heures a relire ce manuscrit et a repertorier et corriger les innombrables fautes que j'avais laisse par manque de temps. Cela m'a ete d'une aide inestimable, elle peut en ^etre certaine. Merci egalement a ma sur Celine et son mari Vincent, tout particulierement pour les soireesd'un haut niveau culturel, mais oh combien destressantes! Une pensee egalement a mon frereEmilien qui lui aussi entreprend de devenir docteur, courage! Et enn, merci a toi mon petit cur, sans toi cette these n'aurait pas eu la m^eme saveur. Je tiens egalement a te remercier, toi, lecteur qui entreprend de lire mon manuscrit. Mon style de redaction n'est certes pas des plus academique mais ce qui importe, c'est le fond. J'ai en tout cas essaye d'^etre le plus precis possible dans mon discours. N'hesite pas a me faire part de tes commentaires et de tes critiques, je serai heureux d'y repondre.

Bonne lecture!

Mes toutes dernieres pensees vont a une de mes professeurs de Sciences Physiques au lycee Benjamin Franklin a Orleans qui m'avait dit un jour, en classe de seconde,. Comme quoi, quand on persevere... 8

Table des matieres

Introduction...................................................................... 33 Chapitre 1 :Actionneurs plasmas et contr^ole d'ecoulement : revue bibliographique 37

1. Les decharges a pression atmospherique ....................................... 37

1.1 Le plasma . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

1.2 Les dierents types de decharge . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

1.2.1 La decharge couronne volumique . . . . . . . . . . . . . . .

1.2.2 La decharge a barriere dielectrique volumique . . . . . . .

1.2.3 La decharge a barriere dielectrique de surface . . . . . . . .

2. Les actionneurs plasmas....................................................... 45

2.1 Le vent ionique ou electrique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

2.2 La force electrohydrodynamique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

2.3 Les actionneurs plasmas de type DBD de surface . . . . . . . . . . .

2.3.1 L'alternance positive . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

2.3.2 L'alternance negative . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

2.4 Les autres types d'actionneur plasma . . . . . . . . . . . . . . . . . .

2.4.1 Les actionneurs DC (Decharge Couronne) de surface . . . .

2.4.2 La decharge glissante . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

2.4.3 La decharge a arc glissant . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

2.4.4 Les jets synthetiques par plasma (JSP) ousparkjets. . . .52

3. Le contr^ole d'ecoulement ...................................................... 53

3.1 Le contr^ole passif . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

3.2 Le contr^ole actif . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

3.3 La DBD de surface, une technologie de contr^ole actif . . . . . . . . .

4. Positionnement de l'etude ..................................................... 58

TABLE DES MATI

ERESChapitre 2 :Caracterisation d'un actionneur plasma de type DBD de surface..... 63

1. Introduction .................................................................. 63

2. Dispositif experimental........................................................ 64

2.1 Alimentation et dispositifs electriques . . . . . . . . . . . . . . . . .

2.2 Actionneurs EHD . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

3. Caracterisations de la decharge de surface ..................................... 67

3.1 Courant de decharge . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

3.2 Regimes de fonctionnement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

3.2.1 Classication . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

3.2.2 Le regime. . . . . . . . . . . . . . . . . .71

3.3 Dynamiques de la puissance active . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

3.3.1 Motivations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

3.3.2 Mesure de puissance resolue en temps . . . . . . . . . . . .

3.4 Mesures de temperature de surface . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

3.4.1 Dispositif experimental . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

3.4.2 Temperature du dielectrique sans ecoulement exterieur . .

4. Au centre du contr^ole par plasma : le vent ionique............................. 99

4.1 Caracterisation sans ecoulement exterieur : periodicite du vent io-

nique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100

4.1.1 Dispositif experimental . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

100

4.1.2 Periodicite du vent ionique . . . . . . . . . . . . . . . . . .

102

4.2 Vent(s) ionique(s) en presence d'un ecoulement exterieur . . . . . . .

108

4.2.1 Dispositif experimental . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

108

4.2.2 Predominance de l'alternance negative . . . . . . . . . . . .

109

5. Synthese ...................................................................... 114

Chapitre 3 :Contr^ole de la transition laminaire-turbulent d'une couche limite de type Blasius ........................................................................ 117

1. Introduction .................................................................. 117

2. Elements bibliographiques..................................................... 118quotesdbs_dbs19.pdfusesText_25

[PDF] Etude caractérisation et amélioration d'un actionneur plasma

UNIVERSITÉ D"ORLÉANS

ÉCOLE DOCTORALE SCIENCES ET TECHNOLOGIES

THÈSEprésentée par :

Romain JOUSSOT

Discipline : Physique des Gaz et des Plasmas

RAPPORTEURS :

Olivier CADOTProfesseur, ENSTA, Palaiseau

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Pierre Joliot (1932 - )

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Benjamin Franklin (1706 - 1790)

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Bonne lecture!

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1. Les decharges a pression atmospherique ....................................... 37

1.1 Le plasma . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

1.2 Les dierents types de decharge . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

1.2.1 La decharge couronne volumique . . . . . . . . . . . . . . .

1.2.2 La decharge a barriere dielectrique volumique . . . . . . .

1.2.3 La decharge a barriere dielectrique de surface . . . . . . . .

2. Les actionneurs plasmas....................................................... 45

2.1 Le vent ionique ou electrique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

2.2 La force electrohydrodynamique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

2.3 Les actionneurs plasmas de type DBD de surface . . . . . . . . . . .

2.3.1 L'alternance positive . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

2.3.2 L'alternance negative . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

2.4 Les autres types d'actionneur plasma . . . . . . . . . . . . . . . . . .

2.4.1 Les actionneurs DC (Decharge Couronne) de surface . . . .

2.4.2 La decharge glissante . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

2.4.3 La decharge a arc glissant . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

2.4.4 Les jets synthetiques par plasma (JSP) ousparkjets. . . .52

3. Le contr^ole d'ecoulement ...................................................... 53

3.1 Le contr^ole passif . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

3.2 Le contr^ole actif . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

3.3 La DBD de surface, une technologie de contr^ole actif . . . . . . . . .

4. Positionnement de l'etude ..................................................... 58

TABLE DES MATI

1. Introduction .................................................................. 63

2. Dispositif experimental........................................................ 64

2.1 Alimentation et dispositifs electriques . . . . . . . . . . . . . . . . .

2.2 Actionneurs EHD . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

3. Caracterisations de la decharge de surface ..................................... 67

3.1 Courant de decharge . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

3.2 Regimes de fonctionnement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

3.2.1 Classication . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

3.2.2 Le regime. . . . . . . . . . . . . . . . . .71

3.3 Dynamiques de la puissance active . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

3.3.1 Motivations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

3.3.2 Mesure de puissance resolue en temps . . . . . . . . . . . .

3.4 Mesures de temperature de surface . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

3.4.1 Dispositif experimental . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

3.4.2 Temperature du dielectrique sans ecoulement exterieur . .

4. Au centre du contr^ole par plasma : le vent ionique............................. 99

4.1 Caracterisation sans ecoulement exterieur : periodicite du vent io-

4.1.1 Dispositif experimental . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

4.1.2 Periodicite du vent ionique . . . . . . . . . . . . . . . . . .

4.2 Vent(s) ionique(s) en presence d'un ecoulement exterieur . . . . . . .

4.2.1 Dispositif experimental . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

4.2.2 Predominance de l'alternance negative . . . . . . . . . . . .

5. Synthese ...................................................................... 114

1. Introduction .................................................................. 117