La motivation principale de cette thèse est d’étudier les capacités et les limites des actionneurs de plasma DBD dans la réalisation d’un contrôle actif de phénomène d’instabilité. Par nature, ces actionneurs exercent un forçage instationnaire fortement périodique. Grâce aux caractéris-tiques géométriques de leur construction, un forçage tridimensionnel modulé dans l’espace peut également être réalisé. Différents actionneurs à technologie DBD pouvant imposer un forçage de nature bidimensionnelle et tridimensionnelle seront conçus et fabriqués. Après une caractérisa-tion électro-mécanique approfondie de ces accaractérisa-tionneurs, ils seront déployés à des fins de contrôle de l’écoulement sur deux configurations distinctes. Ainsi, le cas du contrôle de l’écoulement sur une aile en flèche sera abordé avec pour objectif de manipuler la région de transition lami-naire/turbulent. Ce type d’écoulement, et ses instabilités transverses intrinsèques, étant partic-ulièrement sensibles à l’état de surface du modèle, des actionneurs spécifiques de faible intrusivité et imposant un forçage spatialement modulé ont du être développés. Dans un second temps, la technique de contrôle a été étendue au cas d’une couche de mélange bidimensionnelle dont la dynamique est principalement pilotée par des instabilités primaires mais nous verrons que des instabilités de type secondaires contribuent également au taux d’épanouissement de la couche de mélange. L’objectif ici est de commander la dynamique tourbillonnaire du sillage d’une couche de mélange à bord épais en forçant d’abord les instabilités primaires, puis en imposant un forçage modulé spatialement afin de venir cette fois modifier les instabilités de type secondaires.
Les objectifs spécifiques de cette thèse dont l’approche est purement théorique et expérimen-tale sont détaillés ci-dessous.
1.1.1. Actionneurs plasma
Le cœur de cette thèse étant construit sur un contrôle par actionneurs plasma DBD, certaines tâches sont nécessaires afin d’assurer une mise en œuvre efficace lors de leur déploiement sur les différentes configurations d’études qui seront réalisées par la suite. Deux types d’actionneurs vont etre nécessaires. Le premier est supposé imposer un forçage uniforme le long du bord de l’électrode au contact avec l’air. Il s’agit d’une configuration très classique, largement utilisés dans la communauté. Le second type d’actionneur est largement plus innovant puisqu’il doit permettre un forçage tridimensionnel modulé dans l’espace. Les taches principales à réaliser sont les suivantes:
• Les actionneurs déployés doivent respecter des contraintes strictes d’épaisseur et de ru-gosité afin d’éviter que la simple présence de l’actionneur n’ait un effet déstabilisant sur l’écoulement. Il s’agit d’une préoccupation générale liée à l’utilisation de ces actionneurs pour des applications de contrôle d’instabilité se développant aux interfaces fluides/solides. Pour contourner ce problème, il est nécessaire de formuler une technique de fabrication qui produise de tels actionneurs. En outre, la technique proposée doit être capable de produire
des électrodes présentant des caractéristiques géométriques complexes.
• La deuxième tâche est liée aux actionneurs modulés spatialement. Tout d’abord, une preuve de concept est nécessaire pour démontrer la tridimensionnalité de l’écoulement induit. Deuxièmement, il est nécessaire de quantifier les performances de ces actionneurs modulés en espace.
1.1.2. Contrôle d’écoulement sur une aile en flèche
Cette thèse vise à contrôler le mécanisme d’instabilité dite transversale (CF) qui est la cause de la transition laminaire-turbulente dans les couches limites tridimensionnelles se développant sur les ailes en flèche. Une stratégie de contrôle qui a récemment attiré l’attention est l’utilisation d’éléments de rugosité discrets (DRE) positionnés au bord d’attaque afin de provoquer une déformation favorable de l’écoulement moyen le long de l’envergure de l’aile (Saric, Carrillo, et al., 1998). Ceci a ensuite été généralisé sous le nom de déformation de l’écoulement en amont (UFD) pour englober l’utilisation de tout dispositif pouvant provoquer cette déformation de l’écoulement moyen (Wassermann & Kloker, 2002). Bien que cette stratégie ait donné des résultats positifs dans le cadre de quelques efforts expérimentaux et numériques, elle n’est pas très robuste en raison de sa dépendance à l’égard d’un certain nombre de paramètres. Une autre stratégie, principalement issue de simulation numérique (Messing & Kloker, 2010; Dörr & Kloker, 2015b), est basée sur la manipulation de la cause de l’instabilité, la composante de vitesse transverse dans la couche limite, et est appelée modification de l’écoulement de base (BFM). A ce jour, cette stratégie n’a jamais été validée expérimentalement.
Dans ces travaux, les stratégies de contrôle de type UFD et BFM seront réalisées grâce à des actionneurs plasma. Le but recherché ici est la réalisation d’un retard dans la transition laminaire-turbulente. Les différentes stratégies de contrôle seront étudiées dans des conditions d’écoulement identiques afin de mieux comparer l’autorité et l’efficacité de contrôle obtenues avec ces deux stratégies. En cas de succès, cela marquera le premier effort expérimental pour obtenir un retard de la transition dominée par l’instabilité de la composante transverse de la vitesse en paroi. A ce titre, quatre objectifs sont identifiés:
• Le premier objectif est de réaliser la stratégie de contrôle de type UFD à l’aide d’actionneurs DBD qui génèrent un forçage modulé spatialement selon l’envergure du modèle. De plus, avec certaines configurations de forçage (conception des actionneurs et conditions de fonc-tionnement), on peut s’attendre à ce que la force exercée pour réaliser la stratégie UFD effectue simultanément et localement une action de type BFM. L’effet du forçage UFD et la façon dont les deux stratégies contribuent à contrôler la transition n’est pas bien comprise et, à ce jour, n’a pas été explorée de manière expérimentale.
• Le second objectif est de réaliser et d’étudier expérimentalement la stratégie de contrôle de type BFM en utilisant des actionneurs de plasma DBD. Avant l’investigation expérimen-tale, une étude théorique préliminaire sera réalisée pour étudier la stabilité de la couche limite, sous l’influence d’une force volumique reproduisant les effets de la force de type EHD produite par l’actionneur. Ce modèle numérique simplifié basé sur la théorie de la stabilité linéaire sera comparé aux résultats expérimentaux.
• Enfin, cette thèse ne fournit pas seulement la première preuve de concept expérimentale de la stratégie de contrôle de la BFM, mais constitue également la première comparaison
des deux stratégies de contrôle pour des conditions d’écoulement identiques. Ainsi, elle fournit des conditions favorables pour étudier la collaboration de ces deux stratégies. En outre, ces deux stratégies seront également comparées en termes d’efficacité de contrôle obtenue, notamment en fonction de leur effet sur la traînée de frottement totale.
1.1.3. Contrôle d’écoulement d’une couche de mélange plane
La partie suivante de cette thèse concerne l’application d’actionneurs plasma DBD sur une couche de mélange laminaire plane. Cette configuration est caractérisée par des tourbillons à grande échelle dans le sens de l’envergure qui résultent du mécanisme d’instabilité primaire de type Kelvin-Helmholtz (Brown & Roshko,1974). La dynamique et l’interaction de ces tourbillons ont un impact direct sur la croissance de la couche de mélange et son taux d’épanouissement. Deuxièmement, le mécanisme d’instabilité secondaire conduit à la formation de tourbillons en épingle à cheveux qui s’enroulent autour des tourbillons transversaux. L’interaction de ces deux structures tourbillonnaires entraîne la production de turbulences à petite échelle et un mélange accru à l’échelle moléculaire. La couche de mélange est la représentation la plus simple d’une couche de cisaillement libre qui prévaut dans tout type d’écoulement de fluide. Ainsi, l’analyse de l’effet du forçage des actionneurs DBD sur la couche de mélange revêt une importance sig-nificative pour améliorer les applications de contrôle de l’écoulement de ces actionneurs. Un certain nombre d’outils analytiques seront générés et appliqués sur les données expérimentales acquises afin de discerner l’influence de la stratégie de contrôle utilisée. Actuellement, les objec-tifs suivants sont identifiés:
• Concevoir et mettre en place un dispositif expérimental permettant l’étude d’une couche de mélange résultante de l’interaction de deux flux présentant un gradient de vitesse trans-verse. Cette étape préliminaire requiert une caractérisation adéquate du champ de vitesse dans le sillage de la plaque séparatrice et une comparaison avec les caractéristiques des moyens d’essais préalablement rapportées dans la littérature.
• Générer et à valider des outils analytiques et à formuler une méthodologie pour étudier cette configuration d’écoulement. La mesure de la vitesse d’écoulement sera obtenue à partir de la vélocimétrie par image de particules résolue temporellement. Cet ensemble de données expérimentales constitue la base de la première analyse spatio-temporelle du champ de vitesse de la couche de mélange. Les outils analytiques identifiés comprennent l’analyse par stabilité linéaire, la densité spectrale de puissance, la décomposition orthogo-nale en modes propres appliquée au domaine spectral (SPOD) pour obtenir l’organisation spatiale des fluctuations et les techniques d’identification des tourbillons afin d’extraire la dynamique et les interactions des structures tourbillonnaires.
• Inspecter l’impact d’un forçage spatialement uniforme sur l’instabilité primaire. Il s’agit ici de tirer parti de la nature instationnaire du forçage appliqué par les actionneurs DBD. En outre, l’impact des différents paramètres de fonctionnement de l’actionneur DBD sera également étudié. En particulier, les effets de forçage aux harmoniques et sous-harmoniques de l’instabilité naturellement le plus amplifiée sont déterminés.
• Réaliser une étude préliminaire de manipulation des instabilités secondaires dans une couche de mélange plane. Ceci est réalisé en appliquant un forçage modulé spatialement selon l’envergure de la plaque séparatrice. Il s’agit ici d’étudier l’influence d’un forçage tridimensionnelle et instationnaire sur le développement des structures fluidiques primaires
(transverses) et secondaires (longitudinales).