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Titre
Institut Supérieur de l'Aéronautique et de l'Espace
/ 24-11-2014
Kourtzanidis Konstantinos
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Cette thèse porte sur une nouvelle approche pour le contrôle d’écoulement aérodynamique. Cette nouvelle
approche est basée sur l’utilisation d’actionneurs plasma. La modélisation numérique peut être une outil
puissante entre les mains des scientifiques et des ingénieurs pour comprendre, optimiser et ainsi ouvrir la
voie à la commercialisation et l’application de cette technologie. Le couplage entre l’électromagnétisme, le
plasma et l’écoulement, nécessite des modèles et des techniques numériques avancées. Le travail présenté
dans cette thèse, a pour principaux objectifs : le développement et la validation de méthodes numériques pour
simuler efficacement le fonctionnement de certains des plus importants types d’actionneurs plasma. Nous
nous sommes intéressés à trois types d’actionneurs plasma : les décharges micro-ondes, la décharge à barrière
diélectrique (DBD) et le jet synthétique plasma (JSP).
En ce qui concerne les décharges microondes, les objectifs sont plus fondamentaux que pour les autres
types d’actionneurs. Il s’est agit de mieux comprendre la création du plasma, son évolution et de calculer
l’efficacité énergétique de dispositifs microondes par la simulation numérique. Un schéma couplé implicite
(ADI) - FDTD avec un modèle de plasma fluide simplifié est présenté. Cette formulation conserve la simplicité
et la robustesse des systèmes de FDTD, tout en dépassant la barrière du critère de stabilité CFL. Elle conduit
à un temps de calcul réduit et la possibilité de réaliser des simulations tridimensionnelles de la formation
du plasma et de l’évolution d’un plasma dans un champ micro-ondes. Afin d’étudier l’énergie absorbée par
le plasma et le transfert vers le gaz sous forme de chaleur ainsi que le changement consécutif de la densité
du gaz, un solveur Euler a été couplé avec le modèle EM-plasma en tenant compte des effets de gaz réel.
Diverses validations et applications sont ensuite étudiés. Des simulations tridimensionnelles de formation
du plasma sont réalisée qui montrent la formation de structures dans une décharge micro-ondes librement
localisée. Les effets de chauffage de gaz sur le développement d’un "streamer" et la durée d’un volume
pré-ionisé avec des champs sous-critiques sont également calculés.
En ce qui concerne les deux autres groupes d’actionneurs, les objectifs de cette thèse se concentrent sur la
modélisation de leur fonctionnement et sur la production d’écoulement qui en résulte. Le Jet Synthétique Plasma a été numériquement étudié par trois modèles couplés. Les résultats obtenus sont prometteurs
pour l’optimisation du JSP et une meilleure compréhension des mécanismes qui limitent ses performances.
L’actionneur DBD a été modélisée en utilisant deux solveurs différents basés sur des modèles physiques
similaires - celui développé à l’ONERA et l’autre à LAPLACE. Des études paramétriques ont montré que
les modèles donnent une estimation assez précise de la force produite par le DBD par rapport à des mesures
expérimentales. Des applications aérodynamiques de contrôle d’écoulement ont démontré les effets possibles
de ces actionneurs pour la transition laminaire - turbulente et l’amélioration de la portance. Ces travaux
ouvrent une perspective nouvelle dans la conception et l’optimisation de ces actionneurs.
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