Vent électrique

Un autre moyen de caractériser les performances mécaniques de l a tio eu plas a est de esu e le ve t le t i ue u il p oduit. L a a tage de ette esu e est u elle pe et d o te i des informations spatiales et instationnaires sur les caractéristiques mécaniques de l a tio eu plas a o t ai e e t à la force EHD qui reste le plus souvent un paramètre global. L a tio eu DBD g e u jet de pa oi Figure 21) de uel ues illi t es d paisseu pouvant atteindre une vitesse maximale de 5 à 6 m/s en moyenne à 0.5 mm de la paroi (Figure 22), pou des f ue es d ali e tatio s de l o d e de kHz a e des a plitudes de l o d e de kV appli u e t e deu le t odes pla es de pa t et d aut e d u di le t i ue e PMMA de uel ues d paisseu . Le fluide étant accéléré par la décharge électrique, la vitesse maximale dans le jet est attei te e a al de l le t ode a ti e, à la fi de la zo e de d ha ge (Figure 22, x = 10 mm) [30].

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Figure 21 : Champ de la vitesse longitudinale et champ de vecteur du jet de paroi généré par l’actionneur DBD (V = 5 kV, f = 625 Hz, diélectrique 30 µm) [62].

Figure 22 : Profil du vent électrique généré par l’actionneur DBD (V = 22 kV, f = 1,5 kHz) pour différents x en aval de l’électrode active [63].

L i pa t de l a plitude de te sio et de la f ue e sur la vitesse maximale du vent électrique est présentée Figure 23 (a) et (b) (respectivement). Le vent électrique est induit par la force EHD, qui est proportionnelle à la densité de charges et au champ électrique. Une augmentation de la fréquence va augmente la de sit de ha ge ta dis u u e aug e tatio de l a plitude de te sio a aug e te la densité de charge et le champ électrique entre les deux électrodes métalliques. Cependant, cette augmentation de densité de charge qui se traduit par une densité de courant plus importante dans la zone de décharge va avoir un effet « saturant » d u poi t de ue fo e EHD puis ue la d ha ge a peut à peut se transformer en régime filamentaire qui ne semble pas efficace dans la production de force EHD, donc de vent électrique. Des tudes su l i flue e de la pe te du sig al de te sio montrent que le débit massique g pa l a tio eu este i a ia t. Cepe da t, à mesure que la pente de tension augmente, la vitesse

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Figure 23 : Evolution de la vitesse maximal du vent électrique en fonction (a) de la tension d’alimentation (fréquence 1 kHz) (b) de la fréquence d’alimentation (amplitude de tension 20 kV) [65].

La possi ilit d aug e te le e t le t i ue g â e à u e fo te de sit de ha ge est li it e pa la t a sitio de la d ha ge e s u gi e fila e tai e à esu e ue la de sit de ou a t aug e te. C est le principal objectif des optimisations décrites ci-dessous : augmenter la densité de charge sans atteindre un régime filamentaire pour augmenter la force EHD et le vent électrique.

La vitesse maximale du vent électrique obtenue est fortement dépendante de la configuration géométrique de l a tio eu DBD [65, 66]. Pour un type spécifique de diélectrique, la longueu de l le t ode de asse, l espa e i te -électrodes et l paisseu du di le t i ue Figure 7(b)) influencent directement la nature de la décharge.

La lo gueu de l le t ode de asse doit t e suffisa e t lo gue pou e pas o t ai d e l e te sio du plas a. Lo s d u e phase de te sio oissa te, la d ha ge s te d p ogressivement vers l a al de l le t ode a ti e, au ega d de l le t ode de asse. Lo s ue l a plitude de te sio augmente, les lignes de champs se développent et permettent à la d ha ge de se d eloppe e s l a al. Dans le cas où l le t ode de asse est trop petite, elle limite la distance parcourue par les ha ges ui e s a u ula t facilitent le passage d u gi e diffus à u gi e fila e tai e et li ite t l e te sio du uage d io . Ces deux phénomènes limitent la vitesse maximale du vent électrique (Figure 24).

Figure 24 : Impact de la longueur de l’électrode active sur la vitesse maximale générée par l’actionneur DBD (V = 20 kV, f = 700 Hz) [65].

L espa e inter-électrodes fait quant à lui i te e i u opti u . Da s le as où l le t ode de asse est t op loig e de l le t ode a ti e, le ha p le t i ue se a t op fai le pou io ise l espa e i te - électrode. Dans le cas où cet espace est nul, oi gatif, les ha ges s a u ule t à p o i it de l a te a al de l le t ode a ti e et diminuent le champ électrique à proxi it de l le t ode a ti e. O u e émission secondaire nécessite un champ électrique localement important pour que les ions arrachent des électrons à

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la cathode. Ceci peut t e p o o u a tifi ielle e t e loig a t l g e e t l le t ode de la athode o reproduit la dissymétrie du champ électrique observé dans le cas des décharges luminescentes). Un espace inter-électrodes optimal semble ainsi être compris entre 2,5 mm et 7,5 mm (Figure 25) [65].

Figure 25 : Influence de l’espace inter-électrodes sur un actionneur DBD (V = 20 kV, f = 700 Hz) [65].

E di i ua t l paisseur du diélectrique, on augmente la capacité de l a tio eu DBD. De ce fait, le ha p le t i ue da s la zo e de d ha ge se a plus i po ta t, pe etta t ai si d attei d e des itesses moyennes maximales plus importantes à basse tension [65]. Mais en termes de puissance électrique consommée, la vitesse moyenne maximale attei te est i d pe da te de l paisseu du di le t i ue [37] et converge de façon asymptotique pour une puissance électrique o so e de l o d e de W pa e ti t e d le trode. On peut voir Figure 26 (a) l olutio de la itesse a i ale o te ue e fo tio de la puissance consommée pour des actionneurs ayant des épaisseurs de diélectrique différentes. Quel que soit l paisseu du di le trique, la vitesse obtenue en fonction de la puissance consommée est identique. Par o t e, si o di i ue l paisseu du di le t i ue, la zone où la force EHD est générée diminue et le débit massique chute lui aussi (Figure 26 (b)) [37, 65]. Si on considère la permittivité du diélectrique, on se retrouve avec le raisonnement inverse : la apa it de l a tio eu est p opo tio elle à la permittivité du diélectrique.

Figure 26 : Influence de la puissance électrique consommée (f =1 kHz, tension variable) et de l’épaisseur du diélectrique (PεεA) sur (a) la vitesse maximale du vent électrique généré par un actionneur à DBD et (b) le débit massique induit par un actionneur à DBD [37].

Les mesures de vitesses par LDV effectuées en 2005 par Forte et al. [53] révélent que le vent électrique fluctue de faço s h o e a e la fo e de te sio , sugg a t ue l a plitude de la fo e EHD g e pa les d ha ges du a t u e p iode d ali e tatio est pas identique suivant la phase de tension t a sitoi e. Du a t u e phase de te sio oissa te, l a plitude de vitesse longitudinale (le vent électrique)

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diminue et durant une phase de tension décroissante, la vitesse longitudinale augmente (Figure 27) [17]. La itesse t a s e sale ua t à elle est gati e du a t la phase de te sio oissa te, o t a t u u e pa tie de l oule e t est atti e s la pa oi du a t ette phase t a sitoi e de te sio . E 2010 Benard et al. [67] a utilis le e t pe de esu e ais o ditio e o e e de phase. L olutio lo ale du e t le t i ue o t e ue la d oissa e de itesse lo s ue la d ha ge est pas allu e est plus fai le ue la décroissance de vitesse observée en présence de la décharge liée à une amplitude de tension croissante Figure 28 (a)). Ce ui sugg e la p se e d u e fo e gative du a t la phase de te sio oissa te même

si celle- i avait pas t esu e. Cette étude met en a a t l te due des possi ilit s offe tes pa et

aspect instationnaire du vent électrique pou le o t ôle d oule e t Figure 28 (a) et (b)) [67].

Figure 27 : Evolution de la vitesse longitudinale (courbe rouge) et de la vitesse transversale (courbe bleu) durant le fonctionnement de l’actionneur DBD dans l’air (en noir forme de tension, courant de décharge en vert), mesuré en x = 2 mm et y = 1 mm [17].

Figure 28 : Evolution du vent électrique instationnaire en x = 3 mm et y = 1 mm (courbe bleu) en fonction de la forme de tension d’alimentation (en noir) (a) modulé par une fonction porte, (b) modulé par un sinus [67].