PRESENTATION SUSCINTES DE QUELQUES AXES DE RECHERCHES OCENI Abdou Gafari

Pour faciliter l’analyse, la compréhension et la maîtrise des phénomènes industriels en particulier dans le domaine des écoulements en mécanique des fluides, deux voies sont explorées : La première est L’expérimentation qui permet La seconde à caractère plus appliquée s’oriente vers l’utilisation des connaissances et des expériences acquises en mécanique des fluides et en méthodologie numérique pour modéliser et simuler ces écoulements. Cela consiste clairement à établir des modèles mathématiques représentatifs de leur évolution, pour pouvoir les calculer. Mes compétences dans l’enseignement et la recherche s’inscrivent dans le maniement et la maîtrise des outils techniques utilisés dans les deux axes ci-dessus citées. Durant mon parcours, au laboratoire d’Etudes Aérodynamique, à l’Ecole Nationale Supérieure de Mécanique et d’Aérotechnique (ENSMA ) et à l’Université de Poitiers, j’ai travaillé dans des équipes dynamiques, enthousiastes, avec des experts en leur domaine respectifs et dont les travaux sont mondialement connus.

Le contrôle par actionneurs plasma des écoulements aérodynamiques Pour cela, le document que je présente donne un aperçu sur les différents axes des mes recherches ces dernières années regroupant notamment L’électrojet Le contrôle par actionneurs plasma des écoulements aérodynamiques la modélisation et la simulation numérique des écoulements turbulents avec à la clé, la conception de modèles algébriques explicites valables en région de proche paroi.

L’ELECTROJET

Pour le cas particulier des moteurs thermiques Nul n’ignore aujourd’hui l’importance de la préservation de notre environnement. Comment y parvenir ? C’est un véritable défi auquel les chercheurs sont confrontés. Si d’ici 2020 les émissions de NOx provenant de la combustion des moteurs doivent être considérablement réduites, il est nécessaire de se donner les moyens pour y parvenir . En soit , l’affaire est compliquée. Que renseigne nous les propriétés physiques des gouttes électriquement chargées ? Goutte à 0kv Goutte à 25kv Pour le cas particulier des moteurs thermiques on constate que la diminution de la taille des gouttes permet une amélioration de la combustion Nous allons nous intéressé au procédé d’électrisation par injection des charges électriques dans le gasoil

Améliorer la combustion dans les moteurs, les réacteurs Analyser théoriquement et expérimentalement comment un champ électrique peut modifier les caractéristiques hydrodynamiques d’un jet à haute vitesse Objectif : Améliorer la combustion dans les moteurs, les réacteurs les bruleurs etc….. Réduction de l’impact environnemental des rejets ( gaz polluants, principalement les NOx) Effets souhaités: Pulvérisation agricole, peinture électrostatique industries aéronautiques, pharmaceutiques, automobiles atomisation des carburants dans les réacteurs etc…… Domaines visées

Coordonnées de l’abscisse curviligne Equation du profil Pe xt Pi( z) z x h  Gazoil Résolution numérique : Runge Kunta d’ordre 1

Déroulement de l’expérience Mise en place du dispositif Obtention de gouttes sans charge Prise de vue du profil de la goutte Mise sous tension de l’alimentation Prise de vue du profil de la goutte chargée Injection de charges dans le Gasoil Résultats et Analyse Traitement des Images

Résultats et optimisation du profil Profil de référence obtenu à partir des résultats théoriques Ajustement du profil des gouttes charges au profil théorique

conclusion :

Etude des propriétés électriques et mécaniques d’actionneurs plasma pour contrôle des écoulements Aérodynamiques

Le contrôle par actionneur plasma des écoulements aérodynamiques Principe : Consiste à créer une décharge électrique de surface dans le but de modifier une couche limite Objectif : Apporter la quantité de mouvement (vent ionique ) Avantages : Simple, faible consommation, temps de réponse très court Limitations : Faible vitesse de l’écoulement induit ( ordre de 5 m/s) Domaines d’Applications : - Ingénierie en générale et en particulier en aérodynamique, Combustion - Dépollution de l’air (précipitateurs électrostatiques) - Dépollution des rejets de combustibles Actionneur Production d’ions Collision avec les particules neutres Actionneur plasma = convertisseur électromécanique

Etude des propriétés électriques et mécaniques d’actionneurs plasma Objectifs: Etude comparatives des propriétés des deux actionneurs DBD et Sliding Analyser leur interaction avec un écoulement de couche limite Expliquer le mécanisme de la sliding Les actionneurs : Zone de plasma Téflon Electrode supérieure AC Electrode à la masse Actionneur DBD Electrode inférieure DC 40 mm X Y Electrode supérieure AC Electrode supérieure DC Actionneur sliding

Dispositif expérimental : Equipement électrique Amplificateur haute tension (TREK 3OKv/40mA) Générateur GBF basse fréquence Capteur de Courant ACCT BERGOZ (précision 3A , courant max : 100mA) Forme d’onde sinusoïdale , fréquence 1 ou 2 KHZ Générateur GBF Oscilloscope Amplificateur haute tension (TREK) Alimentations continues

Résultats mesures électriques Zone de plasma Téflon Electrode supérieure AC Electrode à la masse Résultats mesures électriques Actionneur DBD Courant de décharge (mA/m) Sur AC, on applique une tension sinusoïdale sin(-16,+14) L’électrode DC reliée à la masse On mesure le courant de décharge on supprime la composante capacitive Condition d'allumage : Expérimentalement, la DBD s’allume si la tension crête à crête est supérieure à une valeur seuil de 8 kV

Actionneur Sliding On mesure le courant de décharge Electrode inférieure DC 4 cm X Y DC Electrode supérieure AC Electrode supérieure DC Actionneur Sliding Courant de décharge (mA/m) Sur AC, on applique une tension sinusoïdale sin(-14,+18) Sur les DC, on applique une tension continue -16 kV On mesure le courant de décharge on supprime la composante capacitive Condition d'allumage : Expérimentalement, la sliding s’allume lorsque la différence de potentiel entre les électrodes de dessus atteint 24 kV

L’influence de la tension, de l’épaisseur du plaque, et de la fréquence ont été étudiées Ces expériences montrent que Diminution de l’épaisseur du diélectrique entraine une augmentation du pic de courant de décharge dans le cas des deux actionneurs (sliding et DBD ) Il semble que la fréquence n’a pas d’influence notable sur le pic de sliding.

Mesures des propriétés mécaniques : Influence des décharges sur une couche limite Moyens de mesure Tube de Pitot Mesure vitesse horizontale Moyen de mesure limité PIV Mesures spatiales (2D) Utilisation de la soufflerie Plage de vitesse : 1.5 m/s à 30m/s Veine de sortie : 50x300mm Dispositif d’ensemencement : générateur de fumée Caméra CCD 1280x1024 px, 12 bits Laser Young double impulsion (modèle TWING Temps entre deux acquisitions : réglée en fonction de la vitesse Vitesse de l’écoulement externe : 5m/s Temps acquisition de couple de vecteurs : toutes les 0.25s (4hz)

Résultats Pitot : Profils de vitesses Air DBD Sliding Ces expériences montrent qu’il y a apport de qt de mouvement dans la couche dans les 2 cas La vitesse max est obtenue au alentour de x=10mm (jusqu’à 3.2 m/s) La sliding est meilleurs dans les positions inférieures et moins bonne ailleurs

Résultats PIV : Cartographie champ moyen de vitesse : DBD Cartographie du champ moyen de vitesse horizontale sans la décharge Vitesse ext. 5m/s champ moyen de vitesse horizontale avec l’actionneur DBD champ moyen de vitesse verticale avec l’actionneur DBD

différence du champ moyen de vitesse horizontale avec et sans la décharge cartographie de la différence du champ moyen de vitesse verticale avec et sans la décharge 4 cm Y X AC Masse Biseau Configuration étudiée: Sin( -18,+18) f2 e3 Vitesse extérieure : 5 m/s Plaque en PMMA Apport de vitesse horizontale de l’ordre de 2 m/s à 2.5 m/s dans la couche limite Réduction de l’épaisseur de la couche limite dans l’espace inter - électrodes Décollement de l’écoulement en amont de l’électrode AC. Perturbation de l’écoulement au niveau de l’électrode aval ( pb de reflet) Forte aspiration de l’écoulement vers l’actionneur à x=0

Résultats PIV : Cartographie champ moyen de vitesse : Sliding Cartographie du champ moyen de vitesse horizontale sans la décharge Vitesse ext. 5mm/s Cartographie du champ moyen de vitesse horizontales avec la décharge Sliding Cartographie du champ moyen de vitesse verticale avec la sliding

Configuration étudiée: Sin( -18,+18)+20 f2 e3 Cartographie de la différence du champ moyen de vitesse horizontale avec et sans la décharge Cartographie de la différence du champ moyen de vitesse verticale avec et sans la décharge 4 cm Y X AC DC Biseau Configuration étudiée: Sin( -18,+18)+20 f2 e3 Vitesse extérieure : 5 m/s Plaque en PMMA Apport de vitesse horizontale de l’ordre de 3 m/s dans la couche limite Diminution de l’épaisseur de la couche limite Décollement de l’écoulement en amont de l’électrode AC Aspiration de l’écoulement vers l’actionneur à x = 0

Comparaison DBD / Sliding Au voisinage de l’électrode AC l’apport de vitesse dans la couche limite de la Sliding semble plus importante que celle de la DBD Au Voisinage de l’électrode DC, apport DBD plus importante Résultats confirmés par les profils de vitesses Aspiration semble plus forte du côté de la DBD que de la sliding

Conclusion Ce travail donne les premiers résultats sur les propriétés électriques et mécaniques de l’actionneur sliding (qui est très complexe) et nous permet de proposer une explication de son mécanisme Des études complémentaires plus fines pourront permettre de mieux comprendre ce mécanisme notamment lors de l’alternance négative de la tension. Une étude par LDV par exemple peut permettre de corréler la vitesse instantanée avec le courant de décharge Nous pouvons noter que la présence d’un actionneur plasma modifie la configuration d’un l’écoulement en couche limite, à environ 0.5mm de la paroi en y apportant une quantité de mouvement supplémentaire. La modification des données électriques (tension, fréquence) et /ou de l’épaisseur de la plaque contribue à l’amélioration de la quantité d’air injectée ( actuellement avec la DBD, on obtient jusqu’à 7 m/s) De nombreuses applications sont en cours actuellement aussi bien dans l’amélioration des procédés de combustion ( stabilisation des flammes dans les réacteurs par exemple ) que dans l’atténuation des problèmes liés à l’aérodynamisme de l’avion en évitant certains décollement quand les écoulements d'air qui enrobent l'avion s'en écartent au détour de certaines pièces Actuellement, le LEA travaille à un tel procédé, qui serait disposé sur les ailes après avoir mis en place celui situé à la sortie du jet de propulsion pour lequel les actionneurs permettent de l’orienter dans la direction souhaitée afin d’accroitre les pentes de montée lors du décrochage pour gagner plus vite les cieux et réduire par conséquent la zone touchée par les nuisances sonores.

Modélisation et simulation numérique des écoulements turbulents en région de proche paroi EN CONSTRUCTION