Modélisation numérique d'un actionneur plasma de type décharge à barrière diélectrique par la méthode de dérive-diffusion

Les actionneurs au plasma de type décharge à barrière diélectrique (DBD) sont un dispositif proposé pour le contrôle actif de l'écoulement en vue d'améliorer les performances des avions et des turbomachines. Ces actionneurs sont essentiellement constitués de deux électrodes séparées par une couche de matériel diélectrique et produisent un effet sur l'écoulement en convertissant l'électricité directement en force d'actionnement. En raison des coûts pour réaliser des expériences dans des conditions réalistes, il existe un besoin pour développer un modèle numérique prédisant la force d'actionnement et l'effet de divers paramètres sur cette dernière. En effet, cette force d'actionnement est notamment affectée par les conditions atmosphériques (température, pression et humidité), la vitesse du fluide neutre, la tension appliquée sur les électrodes (amplitude, fréquence et forme d'onde) et la géométrie de l'actionneur. Dans cette perspective, l'objectif de ce mémoire est d'implémenter un modèle plasma pour actionneur DBD ayant le potentiel de prédire l'effet de ces différents paramètres sur la force d'actionnement. En modélisation d'actionneur DBD, deux types d'approche sont proposés, à savoir modélisation à faible ordre (ou phénoménologique) et modélisation à ordre élevé (ou scientifique). Toutefois, une étude critique, présentée dans ce mémoire, a révélé que l'approche phénoménologique est basée sur des hypothèses erronées et n'a pas la robustesse nécessaire pour prédire une force d'actionnement sans calibration artificielle pour chaque cas spécifique. Ainsi, l'approche choisie pour modéliser la force d'actionnement est un modèle scientifique de type dérive-diffusion prenant en compte quatre espèces chimiques (électrons, ions positifs, ions négatifs et éléments neutres). Ce modèle a été choisi, car les résultats obtenus avec ce dernier sont consistants avec les observations expérimentales. De plus, il possède un bon potentiel d'amélioration pour tenir compte de l'effet de la pression, de la température et de l'humidité de l'air en plus de nécessiter qu'un temps de calcul raisonnable. Le modèle sélectionné a été indépendamment implémenté en langage C++ et validé pour différents cas de test. Le modèle a été ensuite utilisé pour simuler l'effet de la force d'actionnement sur la transition laminaire-turbulente d'un profil d'aile afin de valider la performance des simulations CFD utilisant ce modèle. Les résultats obtenus montrent que ce modèle prédit mieux l'effet de la force d'actionnement sur l'écoulement qu'un modèle phénoménologique pour un cas pratique en aérospatial.

Abstract

Dielectric barrier discharge (DBD) plasma actuator is a proposed device for active for control in order to improve the performances of aircraft and turbomachines. Essentially, these actuators are made of two electrodes separated by a layer of dielectric material and convert electricity directly into flow. Because of the high costs associated with experiences in realistic operating conditions, there is a need to develop a robust numerical model that can predict the plasma body force and the effects of various parameters on it. Indeed, this plasma body force can be affected by atmospheric conditions (temperature, pressure, and humidity), velocity of the neutral flow, applied voltage (amplitude, frequency, and waveform), and by the actuator geometry. In that respect, the purpose of this thesis is to implement a plasma model for DBD actuator that has the potential to consider the effects of these various parameters. In DBD actuator modelling, two types of approach are commonly proposed, low-order modelling (or phenomenological) and high-order modelling (or scientific). However a critical analysis, presented in this thesis, showed that phenomenological models are not robust enough to predict the plasma body force without artificial calibration for each specific case. Moreover, there are based on erroneous assumptions. Hence, the selected approach to model the plasma body force is a scientific drift-diffusion model with four chemical species (electrons, positive ions, negative ions, and neutrals). This model was chosen because it gives consistent numerical results comparatively with experimental data. Moreover, this model has great potential to include the effect of temperature, pressure, and humidity on the plasma body force and requires only a reasonable computational time. This model was independently implemented in C++ programming language and validated with several test cases. This model was later used to simulate the effect of the plasma body force on the laminar-turbulent transition on airfoil in order to validate the performance of this model in practical CFD simulation. Numerical results show that this model gives a better prediction of the effect of the plasma on the fluid flow for a practical case in aerospace than a phenomenological model.