Partie 2 : Application au contrôle d’écoulement
6.3 δe contrôle d’écoulements
L a tio menée pou o t ôle l oule e t peut agi a e des caractéristiques moyennes ou i statio ai es, agi e te ps el ou de faço a eugle. Elle doit s appu e su les a a t isti ues du s st e ui odifie l oule e t et su les p op i t s du fluide à a ipule pou t e opti ale. L o je tif de ce paragraphe est de présenter les différentes techniques de contrôle et les différentes stratégies e isagea les pou g e u o t ôle d oule e t ai si ue les p i ipales te h ologies d a tio eu s utilisés ou développés actuellement.
6.3.1.
Définitions
Le co t ôle d écoulement peut être appréhendé de différentes manières. Ce paragraphe présente les définitions relatives aux grandes catégories de contrôle (Figure 105). Il s agit i i de diff e ie u o t ôle passif d u o t ôle a tif, e ou le ou e te ou fe e, stati ue ou d a i ue. E o t ôla t u oule e t, o s i t esse à l olutio d u s st e o pos de l oule e t à a ipul e , de (des) l actionneur(s) ui i te ie t pou a ipule l oule e t et e tuelle e t des apteu s ui permettent de o aît e l tat du système.
Un contrôle actif se diff e ie d u o t ôle passif pa l e gie u il i t oduit da s l oule e t u il a ipule. U o t ôle passif appo ta t pas d e gie, il s agit d u e pi e a i ue, le plus sou e t fixe (on trouve cependant su les a o efs des e s de o d d atta ue et des volets de bords de fuite, mécanismes passifs mais qui peuvent être adaptés à la phase de ol . A l oppos , le o t ôle a tif a i dui e un appo t d e gie da s l oule e t ; il essite do u e sou e d e gie.
Le contrôle actif est lui-même subdivisé en deux branches : le contrôle prédéterminé (en boucle ouverte) ou le contrôle réactif (en boucle fermée). L a tio eu ui agit su le s st e peut ga de u fo tio e e t ide ti ue uel ue soit l tat de l oule e t, ou changer de comportement en fonction de l tat de l oule e t. La ou le fe e i pli ue de o aît e l tat du système lors des phases de
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contrôle. Elle nécessite donc un capteur. Dans le cas où le capteur est situé en amont de la zone manipulée, on parle de commande prédictive. Li pa t de l a tio eu su l oule e t peut être connu grâce à un capteur, généralement situé en aval ; on parle alors de contrôle à rétroaction ou d asservissement. Enfin, la a tio d u e ou le fe e su l olutio du fluide peut t e ualifi e de uasi-statique ou dynamique. Lorsque le temps de réponse de la boucle est supérieu au te ps a a t isti ues de l oule e t, o pa le de contrôle en boucle fermé quasi-stati ue, lo s ue l olutio du o t ôle pe et u e a tio e te ps
el , o pa le alo s de o t ôle d a i ue.
Figure 105 : Classification des techniques de contrôle.
6.3.2.
Stratégies de contrôle
Les te h i ues de o t ôle s appuie t su diff e tes st at gies e isag es pou odifie l tat de l oule e t i itial. L a tio eu ui a odifie l oule e t peut agi de faço o e e ou instationnaire e s appu a t ou o su la p se e d i sta ilit s. Il est possi le de différentier trois grandes méthodes de contrôle ui o t s appu e su diff e ts aspe ts de l oule e t. La p e i e thode o siste à appo te u e odifi atio de l oule e t pa l ajout d u e ua tit statio ai e, pa e e ple i je te une ua tit de ou e e t o e e da s l oule e t. Cette technique est la première méthode à avoir été utilisée. Elle possède un défaut majeur : son bilan énergétique est généralement négatif. La seconde thode a he he à odifie l oule e t o e e générant des stru tu es da s l oule e t. Les st u tu es g es au sei de l oule e t o t odifie la pa titio de la ua tit de ou ement dans le fluide. E p i ipe, la sou e d e gie essai e au o t ôle est oi s i po ta te ue le as p de t. Enfin, la troisième méthode va quant à elle utiliser les instabilités présentent de façon naturelle dans l oule e t afi de le odifier. Dans ce cas, de faibles perturbations sont amplifiées (contrôle lock-on) ou à l i e se, so t supp i es (retardement de la transition laminaire-turbulent , pe etta t d o te i des
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6.3.3.
Actionneurs
La variété des configurations p opi es au o t ôle d oule e t, i duites pa l o ip se e de la a i ue des fluides da s l i dust ie d aujou d hui, i pli ue u e g a de di e sit d a tio eu s utilis s pou le o t ôle d oule e t. Un certain o e d a tio eu s, ou du moins leur principe de fonctionnement, ont servi dans un premier temps comme moyen de diagnostic. C est pa exemple le cas de l aspi atio utilis e pa P a dtl en 1904 ou du ruban oscillant utilisé par Schubauer et Skramstad en 1943 pour manipuler les ondes de Tollmien-schlichting. O disti gue deu g a ds t pes d a tio eu s : les actionneurs passifs (générateurs de tourbillons, parois rainurées), ui appo te t pas d e gie da s le fluide et les actionneurs actifs (jet fluidiques, surfaces mobiles, actionneurs plasmas), qui modifient la ua tit d e gie p se te au sei du fluide. U a tio eu doit t e fa ile e t adapta le à diff e tes configurations, être robuste. Lors u il est a tif, l a tio eu fo tio e sous l i flue e d u e o a de. Plusieurs aspects sont à prendre en compte suivant sa façon de fonctionner : la quantité de mouvement u il introduit, sa bande passante et son temps de réponse. La quantité de mouvement à introduire dans le fluide est par exemple impo ta te si est la seule a a t isti ue utilis e pou odifie u oule e t. A l i e se, l i t odu tio d u e o posa te fluctuante permet d o te i le o t ôle souhait a e de fai les ua tit s de mouvements en influençant des fréquences caractéristi ues de l oule e t naturel. De ce fait, l effi a it du o t ôle peut t e évaluée en fonction des quantités de mouvements introduites.
Les pa ag aphes sui a ts se p opose t de p se te les p i ipau t pes d a tio eu s. Tout d a o d, nous présenterons les actionneurs passifs qui sont encore largement utilisés dans des applications i dust ielles. Puis t ois p i ipau t pes d a tio eu s a tifs seront abordés : les actionneurs fluidiques, les actionneurs avec une partie mécanique mobile, et enfin les actionneurs plasmas.
Actionneurs passifs
Les a tio eu s passifs e essite t pas de sou e d e gie pou g e u e a tio su l oule e t. Ce sont des parties mécaniques fixes (exception faite des systèmes hypersustentateurs) qui sont facilement mises e pla e et g ale e t o ustes. Leu i o ie t est ue l a lio atio est g e pou u gi e d oule e t donné et durant les différe tes o figu atio s d oule e t o se es, l a tio eu fi e peut t e u l e t ui a d t io e la ualit de l oule e t.
Les s st es h pe suste tateu s tels ue les e s de o d d atta ue et les olets de o d de fuite so t la ge e t utilis s. Il s agit de su fa es ui so t d pla es lo s des phases de d ollage et d atte issage pour modifier la forme de la voilure portante, afi d aug e te la po ta e et l i ide e de l a o ef.
La atu e tu ule te d u e ou he li ite aug e te sa o ustesse fa e au d olle e t. Il est possi le de fo e la t a sitio d u e ou he li ite la i ai e e utilisa t une bande rugueuse ou un fil, dont l paisseu est de l o d e de l paisseu de d pla e e t de la ou he li ite là où il est positio .
Pour retarder le décrochage, des générateurs de vortex (VG, Figure 106 (a)) sont utilisés. Ils sont constitués de protubérances placées à la surface de la voilure qui génèrent des tourbillons longitudinaux. Ces tou illo s o t edist i ue les ua tit s de ou e e t da s l paisseu de la couche limite. Un inconvénient majeur de ces VG est une augmentation de la trainée induite par les protubérances dans des phases de ol où leu p se e est pas essai e [144].
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Des rainures longitudinales (riblets, Figure 106 (b)) permettent de diminuer la traînée générée par le frottement turbulent. Ces rainures vont limiter le phénomène d je tio bursting) et les mouvements transverses des tourbillons longitudinaux [145]. La traînée peut être aussi diminuée en réduisant la taille des grosses structures convectées dans la couche limite grâces à des surfaces profilées parallèles à la voilure, les LEBU, ou des plaques séparatrices (splitter-tape) pla es au i eau des e t es d ai [146].
Figure 106 : Dispositifs de contrôle passif : (a) générateur de tourbillons, (b) paroi rainuré.
Actionneurs fluidiques
Ce type d a tio eu a souffle ou aspi e le fluide de faço o ti ue ou instationnaire. On distingue généralement trois t pes d a tio eu s fluidi ues : les actionneurs continus, les actionneurs pulsés et les jets synthétiques (ZNMF). Les deux derniers types sont des actionneurs instationnaires.
Les actionneurs fluidiques sont caractérisés par un débit massique non-nul. On trouve des actionneurs aspirant ou soufflant du fluide par une fente placée sur la paroi. Les actionneurs fluidiques conti us aspi a t pe ette t de supp i e u d olle e t. L aspi atio du fluide i pli ue u is ue d o tu atio . On trouve aussi des actionneurs fluidiques continus soufflants. Ils pe ette t d aug e te la portance via une augmentation de la circulation et de supp i e u d olle e t e aug e ta t l e gie cinétique du fluide. Ils sont aussi utilisés comme générateurs de tourbillons (VGF). Ils peuvent acquérir un caractère instationnaire par différents moyens :
- Des jets oscillants qui utilise t l effet Coa da généré entre le jet et un orifice profilé en mince paroi. Couplé à une cavité, le jet oscille e a al de l o ifi e. Les jets oscillants générent de larges flu tuatio s a e des f ue es d os illatio s aît is es, et e essite t pas de pa tie o ile, ce qui les rend robustes. Un défaut majeur de ces jets est la relation directe entre la fréquence des fluctuations et le débit du fluide, paramètres difficiles à découpler.
- Les jets pulsés qui sont des jets souffla ts do t l a i e de fluide est ouverte et coupée à l aide d u e pa tie a i ue. Pour pulser le jet on utilise des électrovannes, des orifices ou des fentes rotatives contrôlées par un moteur. Ces jets pulsés existent aussi sous la forme de microsystèmes électromécaniques (MEMS) qui délivrent des vitesses importantes avec des temps de réponse très courts. Ces jets présentent un désavantage majeur : ils nécessitent une source de fluide.
- Les jets pulsés ui so t des a it s où a lieu u e e plosio . L e pa sio des gaz hauds a g e u jet qui peut atteindre des vitesses soniques. Un vide partiel se forme dans la cavité, permettant l aspi atio du fluide e te e da s la a it essai e à u ou eau le. Cet a tio eu essite
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l appo t d u o usti le. La mise en place de microsystèmes alimentés en hydrogène et oxygène a pe is d o te i des flu tuatio s de p essio de kPa à u e f ue e de , kHz [147].
Les jets synthétiques qui sont caractérisés par un débit massique moyen nul )NMF o t pas esoi d u e sou e de fluide. Ils so t g ale e t s pa u e pa tie os illa te p se te da s u e a it ouverte par un orifice de faible dimension. La partie oscillante peut être un élément piézoélectrique ou une membrane acoustique d pla e sous l i flue e d u ha p ag ti ue ou le t i ue. Ce t pe d a tio eu s adapte t s fa ile e t à des a iatio s de f ue e. Cepe da t, la itesse du fluide g e este de l o d e de /s et ils p se te t u e olutio de leu a a t ristiques fluidiques non-linéaire, en pa ti ulie lo s u ils fo tio e t à des f ue es de so a e du s st e qui sont généralement de l o d e des f ue es utilis es da s le o t ôle d oule e t.
Actionneurs à surface mobile
Les actionneurs à surfa e o ile so t o stitu s d u dispositif pi zo le t i ue (Figure 107 (a)) qui permet de déplacer une lame métallique de quel ues , d paisseu su une surface de quelques dizaines de mm2 [148, 149]. L a plitude d os illatio de la su fa e de ces actionneurs va dépendre de leur fréquence
d e itatio , de l o d e de à µ pour des fréquences de 1 à 2 KHz ; de l o d e du mm à des fréquences de quelques centaines de Hz [150].
Récemment, des actionneurs « diélectriques élastomères » ont été mis au point pour le contrôle d oule e t. Ce t pe d a tio eu est o stitu d u pol e le t o-actif (Figure 107 (b) et (c)). Il s agit d u e ou he d lasto e e ou e te de deu le t odes. E appli ua t u e diff e e de pote tiel e t e les deu le t odes, l lastomère qui est soumis à une pression électrostatique est compressé, agrandissant ainsi la membrane (Figure 107 (c)). Cet a tio eu p e d la fo e d u e al ole a ti e (dimple actuator) [151]. Actuellement en développement, des alvéoles de 5 mm de rayons peuvent créer un creux ou une
osse de l o d e de µ d paisseu , à des f ue es de l o d e de Hz [152].
Figure 107 : (a) Schéma d’un actionneur piézoélectrique, (b) photo d’un actionneur diélectrique élastomère (diamètre 3 mm) et (c) schéma de principe d’un actionneur diélectrique élastomère.
Actionneurs plasmas
Les actionneurs plasmas utilisent deux propriétés des décharges électriques pour contrôler un écoulement : le vent électrique ou les effets thermiques induits par la décharge. Ils p se te t l a a tage
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d t e fa ile e t adapta les au o figu atio s, l a se e de pa ties mécaniques mobiles et possèdent des temps de réponses très courts.
Le lecteur pourra se référer à la partie 1 de ce mémoire quant aux systèmes développés pour générer un vent électrique. La di e sit des o figu atio s d a tio eu DBD et leu apa it à manipuler aussi bien des instabilités de Tollmien-Schlichting [153] que de larges structures cohérentes [154, 155, 156] en fait un actionneur prometteur malgré les faibles quantités de mouvement induites et les hautes tensions nécessaires à son fonctionnement.
Les effets thermiques des d ha ges es a e des pulses de te sio de l o d e de la dizai e de kV durant 5 à 50 ns sur des actionneurs à décharge à barrière diélectriques permettent de générer une onde pression qui est capable de manipuler une séparation. Dans ce cas, on parle de nanoseconde DBD (nsDBD). Ce type de fonctionnement est utilisé da s des st at gies de o t ôle d oule e t d s pa Opaits et
al. [157, 158].
E fi , des jets s th ti ues plas as JSP so t g s g â e à l i itiatio d u a da s u e a it [159, 160]. Encore une fois, ce sont les effets thermiques induits par la décharge qui vont permettre une expansion du gaz. Ces actionneurs peuvent produire des jets atteignant des vitesses de 300 m/s et des fréquences de 4 kHz. Cependant leur utilisation prolongée va diminuer ces performances par le réchauffement de la cavité.