Influence de l’écoulement sur la morphologie de la décharge Sδ-DBD-1

Afin de visualiser la manière dont l’écoulement affecte la décharge, des mesures optiques par imagerie ont été effectuées en utilisant une caméra Nikon D1 dotée d’un objectif SIGεA 180 mm, avec un temps de pose de 2 s et une ouverture de 4 mm (Figure II-90). δe temps d’ouverture de la caméra est choisi égal à 2 s afin d’intégrer temporellement l’influence de l’écoulement sur

les canaux ionisés. δes images révèlent que l’intensité lumineuse de la décharge augmente avec la vitesse de l’écoulement, comme l’avait remarqué Pang et al. [99] dans ses travaux concernant

l’influence de l’écoulement sur une décharge de surface de type nanoseconde pulsée, à une

fréquence de 2.5 kHz. Cette remarque est d’autant plus pertinente si l’on compare la morphologie de la décharge pour U = 0 m/s et celle pour U = 45 m/s. Il ressort de ces comparaisons que

l’intensité de la décharge aux bornes des électrodes pour U = 0 m/s est plus faible que celle pour

U = 45 m/s. 0 10 20 30 40 50 12 14 16 18 20

U

_∞

(m/s)

-V DC (kV) IDC= 220 A IDC= 340 A IDC= 500 A IDC= 730 A V_P= 14 kV et f = 2 kHz

Figure II-89: Variation de la tension VDC aux bornes de la décharge en fonction de la vitesse de

140 La Figure II-91 présente la variation de l’intensité lumineuse des différentes décharges établies en

condition d’écoulement à différentes positions en x (distance par rapport au bord de l’électrode

(1)) : x = 5 mm, x = 20 mm et x = 35 mm. Ces graphes montrent qu’à x = 5 mm (bord de

l’électrode (1)), la décharge n’est pas homogène le long de l’électrode. De plus, on observe que l’intensité lumineuse de la décharge est moins homogène le long de l’électrode (1) lorsque

U = 45 m/s. Pour les positions x = 20 mm (milieu de la décharge) et x = 35 mm (Figure II-91-B

et C), l’intensité lumineuse de la décharge augmente avec la vitesse de l’écoulement. Dans ces cas également, la morphologie de la décharge n’est pas totalement uniforme. On distingue des

zones à faibles et à fortes intensités qui pourraient être liées à des variations locales du frottement pariétal qui influeraient sur la morphologie de la décharge. Bien qu’il eût été préférable

d’effectuer des visualisations à l’aide d’une caméra iCCD, ce qui n’a pas pu être fait faute de

disponibilité, ces résultats permettent malgré tout d’apporter une justification aux variations des courants i1(t), i3(t) et IDC que nous avons observées précédemment.

U∞ = 0 m/ s Elec trode (1) Ele ctro de ( 3) U∞ = 10 m/ s U∞ = 30 m/ s U∞ = 45 m/s

Figure II-90: Images montrant la morphologie de la décharge SL-DBD-1 établie en condition d’écoulement pour U∞ = 0 m/s, 20 m/s, 30 m/s, 45 m/s avec une tension VP1 = 14 kV, VDC = 16 kV et

141

8.2.6 Influence de la direction de

l’écoulement par rapport à l’orientation du

plasma sur la décharge SL-DBD-1 : capteur multidirectionnel ?

Nous avons étudié l’influence de la direction de l’écoulement par rapport à l’orientation de la décharge. Cette étude est motivée par le fait que l’orientation de l’écoulement par rapport à la décharge de surface joue un rôle sur ses caractéristiques électriques dans le cas de décharges DC [17] [30] et AC [18] [19]. Par conséquent, cette mesure permet de vérifier si la décharge peut

renseigner sur la direction de l’écoulement, ce qui permettrait en plus d’avoir un capteur

multidirectionnel. Dans ce but, trois orientations de la décharge ont été étudiées (Figure II-92) :

 condition colinéaire où la décharge est orientée dans la même direction que l’écoulement

(Figure II-92-A). Cette condition constitue le cas de référence étudié précédemment,

 condition contraire où la décharge est orientée dans le sens contraire à la direction de l’écoulement (Figure II-92-B),

 condition perpendiculaire où la décharge est générée dans le sens perpendiculaire à la direction de l’écoulement (Figure II-92-C).

2 4 6 8 10 12 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 Intensi té (u. a.) Distance: x (cm) 0 m/s 10 m/s 30 m/s 45 m/s x = 5 mm A 2 4 6 8 10 12 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 B x = 20 mm 0 m/s 10 m/s 30 m/s 45 m/s Intensi té (u. a.) Distance: x (cm) 2 4 6 8 10 12 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 0 m/s 10 m/s 30 m/s 45 m/s C x = 35 mm Intensi té (u. a.) Distance: x (cm) U _U U

Ecoulement colinéaire Ecoulement contraire _{Ecoulement perpendiculaire}

(B)

(A) _(C)

(1) (3) (3) (1)

(1) (3)

Figure II-91 _{: Variation de l’intensité lumineuse de la décharge SL-DBD- en condition d’écoulement} pour U = 0 m/s, 20 m/s, 30 m/s, 45 _{m/s. Ces profils d’intensités sont extraits à des positions x = 5 mm}

(A), x = 5 mm (B) et x = 5 mm (C)

Figure II-92 _{: Orientation de l’écoulement par rapport à la direction du plasma : colinéaire (A),} contraire (B) et perpendiculaire (C)

142 La Figure II-93 présente les résultats de l’étude dans laquelle la variation du courant IDC est tracée

pour les trois orientations : colinéaire, contraire et perpendiculaire. Trois décharges différentes ont été utilisées. Pour la première (VP = 14 kV, VDC = 14 kV et f = 2 kHz), les variations du

courant IDC restent de manière générale similaires à celles observées dans les sections

précédentes, quelle que soit l’orientation de la décharge par rapport à celui de l’écoulement. Cependant, on peut remarquer que l’amplitude du courant IDC en condition colinéaire est

légèrement supérieure à celle observée en condition contraire, tandis que l’amplitude du courant IDC en condition perpendiculaire est comprise entre les deux amplitudes précédentes. Cette

remarque est encore plus vraie pour la deuxième et la troisième décharge pour lesquelles la fréquence est fixée à 5 kHz, ceci afin d’augmenter la sensibilité de la décharge (voir la section 8.2.3.2). Dans ces deux derniers cas, on observe clairement une différence entre les amplitudes du courant IDC mesurées dans les conditions colinéaire, contraire et perpendiculaire. Le courant le

plus fort est obtenu lorsque l’écoulement est dans le sens de la décharge, alors que le courant le plus faible est mesuré lorsque l’écoulement s’oppose aux déplacements des charges électriques et

des streamers.

Ces résultats montrent donc que la décharge SL-DBD-1 peut renseigner sur l’orientation de la décharge, à condition d’avoir une fréquence des impulsions de tension suffisante.

Une autre information se trouve révélée par ce graphe à propos du mécanisme gouvernant

l’influence de l’écoulement sur la décharge. En effet, d’après la littérature, il semble que la convection des charges électriques dans l’espace inter-électrode constitue le mécanisme principal

régissant les caractéristiques de la décharge en condition d’écoulement [7], [86], [88]. De plus,

0 10 20 30 40 50 0 500 1000 1500 2000 U_∞(mm) Courant coll ecté par l'élec trode (3) I DC ( A) Contraire Colinéaire Perpendiculaire 14 kVP-16 kVDC, 5 kHz 14 kVP-14 kVDC, 5 kHz 14 kVP-14 kVDC, 2 kHz

Figure II-93 : Variation du courant collecté par l’électrode (3) en condition colinéaire, contraire et perpendiculaire

143 les travaux de Labergue [7] concernant l’orientation de la décharge de surface de type DC vis-à-

vis de l’écoulement avaient révélé que le courant augmente en condition colinéaire et diminue en

condition contraire car celui-ci obéit à la relation = � ± , le signe « ± » traduisant les conditions colinéaires ou contraires (voir la section 6.4). Or dans notre étude, nous observons une augmentation du courant dans les deux conditions (colinéaire et contraire). Cette augmentation signifie qu’un autre mécanisme est mis en jeu dans l’influence de l’écoulement sur les caractéristiques de la décharge nanoseconde pulsée de type glissante. Pour distinguer ce nouveau mécanisme, nous nous sommes intéressés aux courants de migration IM et de diffusion ID qui font

partie du courant total mesuré.

Le courant de migration, étant défini comme le déplacement d’une densité de charge ρ sous

l’influence du champ électrique E, se trouve également lié à la mobilité des charges µ (Eq II-30) :

� = � ⃗ avec = 0 � Eq II-30

Le paramètre µ, quant à lui, dépend de la température T du gaz et du coefficient de diffusion ambipolaire Da, avec K la constante de Boltzmann et e0 la charge élémentaire. Par conséquent, la

mobilité des charges pourrait varier avec la température. Or les décharges nanosecondes pulsées étant connues pour leur caractère thermique, il faut supposer que la température moyenne du volume de gaz ionisé est élevée (entre 310 K et 473 K d’après Starikovskii et al. [39]).

δ’influence de l’écoulement sur la décharge ferait donc intervenir le mécanisme de convection

forcée du flux thermique hors du volume de décharge (pour information, la température de

l’écoulement est d’environ 295 K). De plus, nous supposons que la génération de la décharge sur une large surface améliore l’échange thermique entre le fluide et le plasma. Nous en déduisons

donc que la convection thermique serait alors responsable de la variation du courant IDC lorsque

la vitesse de l’écoulement augmente. En effet, d’après l’équation (Eq II-30), lorsque la

température T diminue, la mobilité µ des espèces augmente entrainant alors l’augmentation du courant IM (i.e. de IDC). Nous avons par ailleurs observé un résultat similaire sur l’étude des

décharges DBD pulsées en condition d’altitude durant mon stage de εaster au sein du laboratoire

[110], au cours duquel nous avons démontré expérimentalement que la variation de la température du gaz entraine celle de l’énergie car la densité du gaz (air) varie. De plus, Pai et al.[94] avaient travaillé sur l’influence de la température du gaz sur une décharge NRP de type volumique pour en conclure qu’une variation de température a un impact sur la tension seuil de

passage d’un régime de décharge à un autre.

En résumé, nous pouvons conclure qu’en plus de la variation du courant de convection IC (liée à

la convection des charges déposées à la surface et/ou à une modification de la dynamique des streamers), la variation du courant de migration IM est très certainement le mécanisme

144 prépondérant, du fait de la diminution de la température de la décharge sous l’effet d’un écoulement plus froid.

Dans le document Propriétés électriques, optiques et mécaniques d'une décharge de surface à barrière diélectrique nanoseconde pulsée. Application à la mesure de vitesse pariétale et au contrôle des écoulements aérodynamiques (Page 154-159)