Impact de la pression et de la température sur la performance d'un actionneur plasma de type DBD

Ce projet de recherche a pour objectif l'étude de performance d'un actionneur plasma de type DBD, sous de hautes pressions et de hautes températures de l'air. L'actionneur plasma est un appareil purement électrique, fonctionnant sans pièces mobiles, et permet de transformer l'électricité en quantité de mouvement par le biais des collisions entre les particules de plasma et celles du gaz neutre. Cette fonctionnalité a engendré plusieurs études sur le potentiel de l'actionneur plasma dans des applications aérodynamiques. En effet, elle paraît très intéressante pour le contrôle de mouvements sur les ailes d'avions, ou dans les turbines et les compresseurs des turbomoteurs. Ainsi, une étude de la performance de ce dispositif sous différentes conditions atmosphériques est indispensable. Ce travail représente la première étude sur l'effet couplé de la haute pression et température sur la performance d'un actionneur plasma. Une enceinte à haute pression et température, dans lequel l'actionneur opère, fut fabriquée. L'effet du dispositif sur le champ de vitesse fut mesuré via la technique de mesure PIV. Les champs de vitesse ont permis via la conservation de quantité de mouvement de calculer la poussée générée par l'actionneur. L'observation optique a aussi permis de mesurer le voltage seuil de formation du plasma. Des tests furent aussi conduits pour des pressions de 1 à 6 bar et des températures de 20°C à 200°C. Les résultats obtenus montrent de grandes variations du fonctionnement de l'actionneur plasma quand la pression et la température augmentent dans les marges étudiées. En effet, l'étude a montré que l'augmentation de la pression affecte négativement la performance, et rend le dispositif quasi-ineffectif à partir de 3 bar. L'étude du deuxième cas montre que la température affecte positivement la performance de l'actionneur, en ajoutant 80% de force d'actionnement entre 20°C et 150°C, contrairement à la pression. Finalement, les résultats ont montré que le couplage de la pression et de la température est quasi-linéaire. En effet, même à haute température, une haute pression présente un apport négatif, et inversement. Dans ce cas l'augmentation de la température jusqu'à 200°C pourrait compenser seulement une augmentation de 1 bar de la pression.

Abstract

This research project aims to study the performance of a DBD type plasma actuator under high pressures and high air temperatures. The plasma actuator is a purely electric device, operating without moving parts, and transforms electricity into momentum through collisions between plasma particles and those of neutral gas. This feature has spawned several studies on the potential of the plasma actuator in aerodynamic applications. Indeed, it seems very interesting for the control of movement on the wings of planes, or in the turbines and compressors of the turboshaft engines. Thus, a study of the performance of this device under different atmospheric conditions is essential. This work represents the first study on the coupled effect of high pressure and temperature on the performance of a plasma actuator. An enclosure with high pressure and temperature, in which the actuator operates, was manufactured. The effect of the device on the velocity field was measured via the PIV measurement technique. The velocity fields allowed, via momentum conservation, to calculate the thrust generated by the actuator. Optical observation also made it possible to measure the plasma formation threshold voltage. Tests were also conducted for pressures of 1 to 6 bar and temperatures of 20 ° C to 200 ° C. The results obtained show large variations in the operation of the plasma actuator when pressure and temperature increase in the margins studied. Indeed, the study has shown that the increase in pressure adversely affects the performance, and makes the device almost ineffective from 3 bar. The study of the second case shows that the temperature positively affects the performance of the actuator, by adding 80% of actuating force between 20°C and 150°C, unlike the pressure. Finally, the results showed that the coupling of temperature and pressure is almost linear. Indeed, even at high temperature, a high pressure has a negative contribution, and vice versa. In this case the increase in temperature up to 200 ° C could compensate for only a 1 bar increase in pressure.