Partie I: Caractérisation électrique, optique et mécanique d’une décharge
5.6 Influence de la géométrie de l’électrode (1) sur la morphologie et le gradient de
gradient de pression généré par l’onde
La Figure I-64 présente une vue transversale de l’onde de pression générée par les configurations étudiées précédemment dans la section 4.5 où l’électrode (1) est filaire (Sδ-DBD-Fil) ou en dents de scie (SL-DBD-Scie), et celle où l’électrode (2) est rainurée (Sδ-DBD-Rainurée). Les images Schlieren présentées dans cette figure sont effectuées avec un autre montage optique dont le champ de visualisation est de 5 cm de diamètre.
δa comparaison de la morphologie de l’onde de pression générée par ces 4 configurations révèle
une information essentielle : chaque streamer produit individuellement une onde de pression
hémisphérique. En effet, pour la configuration où l’électrode (1) est plane (Sδ-DBD classique), la
Figure I-64-A-2 montre l’apparition de plusieurs ondes de pression successives qui se propagent à la même vitesse au-dessus de l’actionneur. Cette morphologie est également observé dans les références [40], [41], [53]. C’est l’intégration spatiale de ces ondes (vue de côté), qui donne une seule onde hémisphérique, que nous avions observé précédemment dans la section 5.2.1 (Figure I-52). δorsqu’on compare la morphologie des ondes générées par la Sδ-DBD (Figure I-64-A2) et
celle produite par la SL-DBD-Fil (Figure I-64 B-2) en terme de densité ou de nombre, on observe que la décharge SL-DBD-Fil produit plus d’ondes hémisphériques que la Sδ-DBD classique. Chaque streamer produit ainsi individuellement une onde de pression car la comparaison de la morphologie de ces décharges par imagerie iCCD, avaient révélé que la SL-DBD-Fil (Figure I- 48) produit plus de filaments que la SL-DBD classique (Figure I-40). De plus, concernant les configurations SL-DBD-Rainurée et SL-DBD-Scie où les streamers sont localisés à la surface du diélectrique, les images Schlieren révèlent que les ondes de pression hémisphériques sont
16 kVP 16 kVPet -18 kVDC
16 kVPet -34 kVDC G= 60 mm 20 kVPet -40 kVDC
NS-DBD G= 40 mm
G= 80 mm
Figure I-63 : Comparaison des ondes de pression générée par la NS-DBD et la SL-DBD ayant un espace inter-électrode G= 40, 60 et 80 mm
91 centrées au niveau des rainures pour le premier (Figure I-64 C-2) et au niveau des pointes de
l’électrode en dents de scie pour le deuxième (Figure I-64 D-2). De plus, on peut observer sur la
Figure I-64 D-2 la trace d’une onde plane au niveau du front de l’onde circulaire indiquant que
l’étalement des streamers dans l’espace inter-électrode (Figure I-49) produit des ondes de pressions locales de faible intensité qui forment cette onde plane.
δ’influence de la forme de l’électrode (1) sur la distribution du gradient de pression est présentée
par la Figure I-65. Le capteur positionné à x = 2 mm et y = η0 mm se déplace suivant l’envergure
de l’électrode (1) (axe z). δorsque l’électrode (1) est filaire, on mesure un gradient de pression pratiquement de même magnitude le long de l’électrode. εais lorsque l’électrode est en dents de scie, l’onde de pression présente des gradients plus intenses au niveau des pointes de l’électrode
et plus faibles dans les creux. La chute de pression au niveau des creux est beaucoup plus
A-1 VP = 14 kV 2 mm (A-2) B-1 VP = 14 kV 2 mm (B-2) C-1 VP = 16 kV 2 mm (C-2) D-1 VP = 14 kV 2 mm (D-2)
Figure I-64: Image Schlieren montrant une vue de profil des ondes de pressions générée par les décharges SL-DBD classique (A) SL-DBD-Fil (B), SL-DBD-Rainurée (C) et SL-DBD-Scie (D)
92 importante avec la SL-DBD-SCIE-2 dont la distance pointe-creux est de 10 mm et celle inter- pointe est de 20 mm. Nous déduisons donc que la distribution du gradient de pression est image de la forme de l’électrode (1).
Figure I-65: Variation du gradient de pression suivant l’axe z pour des décharges SL-DBDs dont l’électrode (1) est filaire (SL-DBD-Fil) (A) en dents de scie (SL-DBD-Scie) de 20 cm (B)
La Figure I-66 présente la comparaison des gradients de pression mesurés au-dessus de
l’électrode (1) dans les cas où celle-ci est plane, filaire ou en dents de Scie-1 (distance pointe-
creux et inter-pointe égales à 10 mm). Le capteur piézoélectrique est placé à x = 2 mm et y = 50
mm par rapport à ‘électrode (1) et dans le cas où celle-ci est en dents de scie, ces distances sont
prises par rapport à la pointe. Cette figure révèle que l’amplitude du gradient de pression est la
même pour une tension donnée dans tous ces cas sauf que dans certains, l’onde est localisée à la
surface du diélectrique. 0 10 20 30 40 50 0 100 200 300 400 500 600 Pression (Pa) Z (mm) 12 kVP 14 kVP 16 kVP SL-DBD-FIL A 0 20 40 60 80 0 100 200 300 400 500 600 B 12 kVP 14 kVP 16 kVP Pression (Pa) Z (mm) SL-DBD-SCIE 20 mm 0 4 8 12 16 20 0 100 200 300 400 500 Pression (Pa) Tension VP (kV) Electrode (1) plane Electrode (1) filaire
Electrode (1) en dent de scie-1
Figure I-66: Comparaison des gradients de pression générés par les décharges SL-DBD avec l’électrode plane, en fil ou en dents de scie ; le capteur piézoélectrique est placé à x = 2 mm et
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5.7 Conclusion
Ce chapitre 5 a présenté les résultats concernant la caractérisation mécanique du gradient de pression généré par les décharges pulsées NS-DBD et SL-DBD. La caractérisation de la NS-DBD
a tout d’abord montré que l’onde de pression est constituée d’une partie circulaire (vue de côté) dont le centre se situe près de l’électrode (1), ainsi que d’une partie plate qui est associée au
développement de la décharge à la surface du diélectrique. Ces premiers résultats sont en
adéquations avec ceux observés dans la littérature en ce qui concerne la topologie de l’onde ainsi qu’à sa propagation sonique dans l’air en s’éloignant de l’actionneur. De plus la mesure du gradient de pression par un capteur de pression piézoélectrique a montré qu’un gradient entre 100 et 700 Pa est mesurée lorsqu’on applique respectivement une tension pulsée de 8 à 17 kV. La
variation de ce gradient a permis de déterminer une efficacité de conversion électromécanique de
ces décharges d’environ 2η00 Pa par mJ/cm d’énergie dissipée.
La caractérisation de la décharge SL-DBD de 40 mm a quant à elle révélé qu’une fois le régime
glissant établi, il apparait une deuxième onde circulaire qui est centrée aux bornes de l’électrode (3). δ’intensité de cette dernière est relativement faible par rapport à celle produite à l’électrode (1). De plus, il apparait que l’onde de pression plane s’étend davantage et relie les deux ondes
circulaires à leur sommet. De plus, l’extension de la décharge sur des distance des θ0 et 80 mm
ont permis d’étendre également la longueur de l’onde plane et montre qu’il est possible de
générer un gradient de pression sur une large surface.
Enfin, la modification de la géométrie des électrodes a révélé une information importante. En
effet, suivant la forme de l’électrode (1) ou (3), il est apparu que la topologie de l’onde de
pression (vue transversale) est impactée et on en déduit que chaque streamer produit
individuellement une onde de pression qui se propage dans l’air. Cette manière de localiser spatialement l’onde pression pourrait être d’un grand intérêt pour les applications de contrôle d’écoulement.
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Conclusion de la partie I
Une étude expérimentale a été réalisée dans le but de caractériser électriquement, optiquement et mécaniquement une nouvelle décharge de surface nommée décharge pulsée glissante. Cette
nouvelle géométrie d’actionneur permet d’augmenter la surface du plasma pour une amélioration de l’interaction entre celui-ci et le fluide. La décharge glissante SL-DBD est générée grâce à un
actionneur constitué de 3 électrodes. Une haute tension pulsée positive est appliquée à une des
deux électrodes actives tandis qu’une haute tension continue négative est appliquée à la contre-
électrode active. Cette dernière électrode permet d’attirer les charges positives crées par la décharge pulsée. Durant cette étude, les avantages de la SL-DBD ont été révélés en la comparant à la décharge conventionnelle NS-DBD établie sur une géométrie d’actionneur à 2 électrodes.
δ’étude électrique a montré que l’ajout d’une troisième électrode alimentée par une tension
continue (SL-DBD), permet d’augmenter l’énergie totale d’environ 300% par rapport à la NS-
DBD. Cette augmentation est d’une part due à celle des courants mesurés non seulement sur l’électrode (1) mais aussi sur l’électrode (3). En effet, sous l’effet du champ électrique, les charges générées aux bornes de l’électrode (1) sont accélérées et collectées par l’électrode (3), et ceci lorsqu’une différence de potentiel minimale de 6.5 kV/cm est appliquée entre les deux
électrodes actives. De plus, cette différence de potentiel a été démontrée comme étant le potentiel de transition du régime conventionnelle vers le régime glissant, et ce, quel que soit la distance entre les deux électrodes actives (40, 60, 80 mm).
Ce seuil de potentiel a également été confirmé par les images iCCD des différentes décharges étudiées. Ces images ont révélé que la présence de la troisième suivant les configurations où elle est laissée flottante (F-DBD) ou mise à la masse (G-DBD) ne modifie en rien les caractéristiques de ces décharges par rapport à la NS-DBD. On observe cependant une extension du plasma
couvrant tout l’espace inter-électrode de 40 mm lorsque la DDP est supérieure à 6.5 kV/cm. De
plus, le plasma généré étant de nature filamentaire, on observe que chaque filament de streamer connecte les deux électrodes actives.
δa seconde partie de cette étude a été consacrée à la caractérisation de l’onde de pression
provoquée par la NS-DBD et la SL-DBD. Ces ondes de pression résultent d’un processus de
chauffage ultra rapide de l’air, se propagent en s’éloignant de l’actionneur. δes résultats obtenus
sont en adéquation avec la littérature notamment pour la NS-DBD où la topologie de l’onde est constituée de deux parties : une région hémisphérique et une région plane. Le régime glissant quant à lui permet de modifier cette topologie en y ajoutant notamment une seconde onde
hémisphérique centrée au bord de l’électrode (3). δa modification la plus importante est que ces
deux ondes hémisphériques sont reliées à leur front par l’onde plane. δ’extension de cette dernière est directement corrélée à celle du plasma à la surface du diélectrique. De plus, les
96 mesures quantitatives réalisées par un capteur de pression ont montré la distribution spatiale et la
variation des gradients de pression induits par les différentes décharges. δ’intensité de ce gradient est de quelques centaines de Pascal, avec une efficacité de l’ordre de 2η00 Pa par mJ/cm
consommée. La décharge SL-DBD permet d’induire un gradient de pression couvrant tout
l’espace inter-électrode, contrairement à la décharge NS-DBD où la région d’interaction de l’onde est limitée à quelques millimètres. Basée sur cette distance, inter-électrode de 40 mm, les
essais complémentaires ont montré que l’électrode (3) génère également une onde de pression
circulaire mais aussi une extension de l’onde plane couvrant une distance inter-électrode de
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