Le contrôle actif d'écoulement est une voie envisagée actuellement pour améliorer les caractéristiques aérodynamiques des véhicules aériens ou terrestres. La diminution de la traînée (force opposée au mouvement) est notamment visée, ce qui permettrait de baisser la consommation en énergie entraînant ainsi une réduction des émissions polluantes. Depuis une dizaine d'années, les actionneurs plasmas sont utilisés comme dispositifs de contrôle. À Orléans, ils sont basés sur l'utilisation d'une décharge à barrière diélectrique créant à sa surface un plasma qui induit un écoulement de quelques km h-1 : le vent ionique. L'actionneur plasma est caractérisé avec l'étude des différents régimes de décharge. Celui où des arcs énergétiques apparaissent est analysé. La température de surface de l'actionneur est également étudiée en fonction de plusieurs paramètres. Elle reste inférieure à 100 °C, ce qui confirme que les effets des actionneurs plasmas sur un écoulement ne sont dus qu'au vent ionique. Une caractérisation du vent ionique permet aussi de confirmer le lien entre le vent ionique et l'extension du plasma : deux phases distinctes existent, pendant lesquelles il est créé. Le contrôle de la transition d'une couche limite de Blasius est effectué sur une géométrie de type plaque plane. En fonction de la position de l'actionneur ou de la puissance consommée, le recul, le déclenchement précoce ou le cas sans effet est obtenu. Le mécanisme d'action est identifié et est lié à une excitation de l'écoulement qui devient plus ou moins sensible aux ondes de Tollmien-Schlichting. La fréquence de fonctionnement de l'actionneur apparaît comme le paramètre principal pour ce type de contrôle. Une nouvelle géométrie d'actionneur est proposée et caractérisée. La décharge conserve des propriétés identiques au cas classique et le sondage du vent ionique par un moyen de mesure 3D permet de montrer le gain en vitesse et l'existence de structures 3D susceptibles de contrôler plus efficacement un écoulement.

Le contrôle actif d’écoulement est une voie envisagée actuellement pour améliorer les caractéristiques aérodynamiques des véhicules aériens ou terrestres. La diminution de la traînée (force opposée au mouvement) est notamment visée, ce qui permettrait de baisser la consommation en énergie entraînant ainsi une réduction des émissions polluantes. Depuis une dizaine d’années, les actionneurs plasmas sont utilisés comme dispositifs de contrôle. À Orléans, ils sont basés sur l’utilisation d’une décharge à barrière diélectrique créant à sa surface un plasma qui induit un écoulement de quelques km h-1 : le vent ionique. L’actionneur plasma est caractérisé avec l’étude des différents régimes de décharge. Celui où des arcs énergétiques apparaissent est analysé. La température de surface de l’actionneur est également étudiée en fonction de plusieurs paramètres. Elle reste inférieure à 100 °C, ce qui confirme que les effets des actionneurs plasmas sur un écoulement ne sont dus qu’au vent ionique. Une caractérisation du vent ionique permet aussi de confirmer le lien entre le vent ionique et l’extension du plasma : deux phases distinctes existent, pendant lesquelles il est créé. Le contrôle de la transition d’une couche limite de Blasius est effectué sur une géométrie de type plaque plane. En fonction de la position de l’actionneur ou de la puissance consommée, le recul, le déclenchement précoce ou le cas sans effet est obtenu. Le mécanisme d’action est identifié et est lié à une excitation de l’écoulement qui devient plus ou moins sensible aux ondes de Tollmien-Schlichting. La fréquence de fonctionnement de l’actionneur apparaît comme le paramètre principal pour ce type de contrôle. Une nouvelle géométrie d’actionneur est proposée et caractérisée. La décharge conserve des propriétés identiques au cas classique et le sondage du vent ionique par un moyen de mesure 3D permet de montrer le gain en vitesse et l’existence de structures 3D susceptibles de contrôler plus efficacement un écoulement. / Active flow control is a route currently being considered to improve aerodynamic performances of vehicles (airplanes or cars). Drag reduction (force opposite to motion) is particularly concerned and provides reduction of energy consumption of vehicles what induces low exhaust gases emissions. Plasma actuators are used as control devices since a decade. In Orléans, they are based on the use of surface dielectric barrier discharge which creates plasma on its surface and induces a flow of few km h-1 : the ionic wind. The plasma actuator is characterized with the study of different discharge regimes. One in which sparks occur is analyzed. The actuator surface temperature is also studied in function of several parameters. Surface temperature remains below 100 °C what confirms effects of plasma actuators on the flow are only due to the ionic wind. Characterization of ionic wind has also confirmed the link between induced flow and plasma spread over actuator surface : two distinct phases exist where a flow is every time induced. Transition control of a Blasius boundary layer is performed on flat plate geometry. Depending on plasma actuator position or power consumption, promotion, delay or neutral case are obtained on transition location. The mechanism of action is identified and linked to an excitation of the flow that becomes more or less sensitive to Tollmien-Schlichting waves. The operating frequency also appears as the main parameter for this type of control. New actuator geometry is proposed and characterized. The discharge keeps identical properties to a classical configuration of plasma actuator. Ionic wind measurements by means of a 3D device allow us to show the gain in speed and presence of 3D structures in the induced flow topology what is more effectively to control external flows.

Le contrôle d'écoulement a pour but, par exemple, d'économiser la consommation d'énergie en réduisant la traînée et/ou en augmentant la portance d'un corps en mouvement. C'est un défi important en aérodynamique lié aux enjeux techniques et économiques. Par rapport aux méthodes de contrôle existantes, notamment mécaniques, l'actionneur à plasma semble être une technique prometteuse grâce à l'absence de partie mobile, permettant par conséquent, une action rapide. Dans ce manuscrit, l'étude des actionneurs à plasma créé par une DBD surfacique est présentée en détail. Il s'agit de mesures électriques, optiques et aérodynamiques des actionneurs DBD en fonction de différents paramètres et géométries. L'effet de ce type d'actionneur sur un écoulement extérieur a été étudié dans quelques cas concrets. Enfin, d'autres actionneurs potentiels sont développés et étudiés.

La réduction de la résistance à l'avancement par des techniques de contrôle active sera une nécessité d'importance croissante dans les années à venir pour le secteur des transports. Cette thèse fait partie d'une nouvelle voie de recherche consistant à utiliser des décharges plasmas à pression atmosphérique pour modifier les écoulements en vue d'améliorer les performances aérodynamiques (diminution de la traînée et augmentation de la portance). L'actionneur retenu est une décharge à barrière diélectrique surfacique avec un diélectrique composé d'une combinaison de deux matériaux polymères souples. L'écoulement induit par l'actionneur plasma, appelé vent ionique, est d'abord étudié expérimentalement dans l'air au repos en fonction du régime de la décharge. Une loi empirique liant la vitesse du vent ionique à la tension et à la fréquence de l'alimentation est proposée. De cette loi se dégagent une vitesse et une longueur caractéristiques utilisées pour prédire les principales propriétés du jet de paroi induit en aval de la décharge (lois d'échelle). L'efficacité de l'actionneur est ensuite testée en soufflerie subsonique pour trois configurations aérodynamiques de complexité croissante : couche limite laminaire non décollée (plaque plane), couche limite turbulente décollée (profil épais) et couche limite décollée 3D (corps de Ahmed, lunette inclinée à 25°). Des résultats significatifs tant sur le plan de la modification de la topologie de l'écoulement que de l'amélioration des efforts aérodynamiques sont obtenus pour des nombres de Reynolds jusqu'à 1,7.106 (35 m/s).

La réduction de la résistance à l’avancement par des techniques de contrôle active sera une nécessité d’importance croissante dans les années à venir pour le secteur des transports. Cette thèse fait partie d’une nouvelle voie de recherche consistant à utiliser des décharges plasmas à pression atmosphérique pour modifier les écoulements en vue d’améliorer les performances aérodynamiques (diminution de la traînée et augmentation de la portance). L’actionneur retenu est une décharge à barrière diélectrique surfacique avec un diélectrique composé d’une combinaison de deux matériaux polymères souples. L’écoulement induit par l’actionneur plasma, appelé vent ionique, est d’abord étudié expérimentalement dans l’air au repos en fonction du régime de la décharge. Une loi empirique liant la vitesse du vent ionique à la tension et à la fréquence de l’alimentation est proposée. De cette loi se dégagent une vitesse et une longueur caractéristiques utilisées pour prédire les principales propriétés du jet de paroi induit en aval de la décharge (lois d’échelle). L’efficacité de l’actionneur est ensuite testée en soufflerie subsonique pour trois configurations aérodynamiques de complexité croissante : couche limite laminaire non décollée (plaque plane), couche limite turbulente décollée (profil épais) et couche limite décollée 3D (corps de Ahmed, lunette inclinée à 25°). Des résultats significatifs tant sur le plan de la modification de la topologie de l’écoulement que de l’amélioration des efforts aérodynamiques sont obtenus pour des nombres de Reynolds jusqu’à 1,7.106 (35 m/s). / Active flow control is a key issue to meet the environmental requirements for the next generations of aircrafts and cars. The aim of this work is to study subsonic airflows control by plasma actuators in order to improve aerodynamic performances (drag reduction and lift enhancement). The actuator consists in using a surface dielectric barrier discharge with a thin dielectric made by a combination of two polymer materials. The first part of this work is dedicated to the experimental study of the flow induced by the actuator in quiescent air according to the regime of the discharge. An empirical law is proposed in order to determine the velocity of the ionic wind as a function of the high voltage and the frequency of the actuator. From this law the main properties of the wall jet induced by the discharge are predicted. In the second part of the study the actuator is used for wind tunnel experiments for three configurations of increasing complexity: laminar boundary layer (flat plane), separated turbulent boundary layer (wing profile) and 3D separated boundary layer (Ahmed body with rear window tilted at 25°). Significant results are obtained for Reynolds numbers up to 1.7.106 (35 m/s).

Dans un contexte de croissance du trafic aérien et dans le but de réduire la consommation de carburant ainsi que les émissions de polluants dans l’atmosphère, l’avion de demain se doit d’être plus respectueux de l’environnement. Dans un objectif d’optimisation de ses performances aérodynamiques,d’importantes activités de recherche sont menées dans le monde pour étudier de nouveaux dispositifs de contrôle actif des écoulements en temps réel. Depuis une dizaine d’années, l’utilisation de la décharge à barrière diélectrique surfacique comme actionneur plasma pour le contrôle d’écoulements suscite un intérêt grandissant. Ce type d’actionneur permet de créer un plasma non-thermique capable de générer un écoulement basse vitesse, appelé vent ionique, qui interagit avec l’écoulement naturel en proche paroi pour l’amener dans un état souhaité. Les études expérimentales présentées dans cette thèse portent, d’une part, sur la caractérisation de l’actionneur plasma sous atmosphère contrôlée pour étudier le rôle de l’azote et de l’oxygène sur le comportement de la décharge et d’autre part, sur l’évaluation des potentialités de cet actionneur à contrôler le décollement massif naissant au bord d’attaque d’un profil d’aile placé à forte incidence. Les résultats mettent en évidence l’importance du rôle joué par O2 dans l’amorçage des filaments de plasma et dans la production de vent ionique. Le taux de production d’ozone de l’actionneur plasma a été quantifié en fonction de la puissance électrique. Les essais en soufflerie, réalisés dans le cadre du projet européen PLASMAERO, montrent l’effet de la fréquence de pulsation du signal d’alimentation haute tension sur la réponse de l’écoulement décollé et des ses instabilités naturelles. Il est ainsi possible, pour le profil placé à des incidences au-delà de l’incidence de décrochage naturel, d’augmenter la portance du profil en supprimant le décollement ou en favorisant la formation de tourbillons portants à l’extrados du profil. / To reduce power consumption and pollutant emissions in the atmosphere due to the increase of aerial traffic jam, tomorrow’s plane must be environnement-friendly. To enhance aerodynamic airfoil performance, worldwide studies have been carried out to study reel time active flow control actuators. For a decade, the interest in using a dielectric barrier discharge for flow control is increasing. Such a discharge is able to create a non thermal plasma which can induce a low velocity airflow, called ionic wind, which interacts with natural flow close to the wall to change its behavior. Experimental studies detailled in this thesis can be divided in two parts. On one hand, plasma actuator caracterization is performed at atmospherical pressure to study the influence of oxygen and nitrogen on the discharge behavior. On the other hand, abilities of the actuator to control a massive flow separation at the leading-edge of an airfoil in a deep post-stall regime are investigated. Results underlines that plasma filaments ignition and ionic wind generation is mainly governed by O2. Besides, the ozone procution rate of the dischage is measured as a function of electrical power. Wind tunnel tests, performed in the PLASMAERO project, underline that separated air flow and its instabilities can be drive by the burst frequency of the high voltage signal. For a deep post-stall regime, a lift enhancement can by obtained by reattaching the air flow or inducing lifting vortexes on the wing upper surface.

Dans un contexte de croissance du trafic aérien et dans le but de réduire la consommation de carburant ainsi que les émissions de polluants dans l'atmosphère, l'avion de demain se doit d'être plus respectueux de l'environnement. Dans un objectif d'optimisation de ses performances aérodynamiques,d'importantes activités de recherche sont menées dans le monde pour étudier de nouveaux dispositifs de contrôle actif des écoulements en temps réel. Depuis une dizaine d'années, l'utilisation de la décharge à barrière diélectrique surfacique comme actionneur plasma pour le contrôle d'écoulements suscite un intérêt grandissant. Ce type d'actionneur permet de créer un plasma non-thermique capable de générer un écoulement basse vitesse, appelé vent ionique, qui interagit avec l'écoulement naturel en proche paroi pour l'amener dans un état souhaité. Les études expérimentales présentées dans cette thèse portent, d'une part, sur la caractérisation de l'actionneur plasma sous atmosphère contrôlée pour étudier le rôle de l'azote et de l'oxygène sur le comportement de la décharge et d'autre part, sur l'évaluation des potentialités de cet actionneur à contrôler le décollement massif naissant au bord d'attaque d'un profil d'aile placé à forte incidence. Les résultats mettent en évidence l'importance du rôle joué par O2 dans l'amorçage des filaments de plasma et dans la production de vent ionique. Le taux de production d'ozone de l'actionneur plasma a été quantifié en fonction de la puissance électrique. Les essais en soufflerie, réalisés dans le cadre du projet européen PLASMAERO, montrent l'effet de la fréquence de pulsation du signal d'alimentation haute tension sur la réponse de l'écoulement décollé et des ses instabilités naturelles. Il est ainsi possible, pour le profil placé à des incidences au-delà de l'incidence de décrochage naturel, d'augmenter la portance du profil en supprimant le décollement ou en favorisant la formation de tourbillons portants à l'extrados du profil.

Ce travail s'intéresse aux effets mécaniques créés par les décharges de surface et à leur efficacité comme actionneur. Une géométrie particulière d'électrodes permet de créer de manière pulsée un filament linéaire de plasma et de le chauffer très rapidement par effet Joule (à raison de plusieurs Joules en moins d'une microseconde). Ce chauffage rapide entraîne la formation d'ondes de choc qui peuvent interagir avec l'écoulement ambiant.Nous étudions le comportement électrique de la décharge de surface afin d'évaluer l'énergie déposée dans le filament de plasma par effet Joule. Pour ce faire, nous réalisons une étude paramétrique sur la configuration du circuit et nous déterminons les principaux paramètres qui pilotent la dynamique de la décharge. Différents modèles de résistance sont utilisés dans un code de simulation du circuit électrique, et leurs prédictions du courant et du dépôt d'énergie sont confrontées aux mesures expérimentales.Des mesures spectroscopiques dans différentes configurations de circuit donnent accès à certaines propriétés de la décharge comme la densité électronique, qui atteint des valeurs de 2x1018 cm-3. Le rayon du canal est également mesuré par imagerie rapide. Les ondes de chocs créées par la décharge de surface sont visualisées en imagerie Schlieren pour plusieurs configurations de circuit. Ces ondes de chocs créent une impulsion proportionnelle à l'énergie déposée dans la décharge. Nos développons un modèle de choc pour décrire la trajectoire du choc et pour calculer l'impulsion communiquée par la décharge de surface. Le modèle est en bon accord avec les mesures expérimentales et la décharge de surface a une efficacité mécanique de 0.12mNs/J pour notre configuration d'étude. Nous terminons cette étude en comparant cet actionneur potentiel avec d'autres actionneurs courants et proposons plusieurs pistes pour de futurs travaux. / In this study, we investigate the mechanical effects generated by pulsed surface discharges and their efficiency as an actuator. Using a specific electrode configuration, it is possible to create a short-lived, pulsed, rectilinear plasma channel and to heat it up rapidly (several Joules in less than a microsecond) through Joule heating. This fast energy deposition causes the formation of shock waves that can then interact with the surrounding flow.We study the electrical behavior of the pulsed surface discharge to assess the energy deposited in the plasma channel through Joule heating. To do so, we perform a parametric study on the circuit configuration and identify the main parameters driving the discharge dynamics. Several resistance models are implemented in a numerical description of the electrical circuit and their predictions of the current and deposited energy are compared with experimental measurements.Spectroscopic measurements in different circuit configurations give access to some of the plasma properties such as the electron number density that can reach values up to 2x1018 cm-3. Fast imaging also gives insight into the plasma channel radius. The shock waves generated by the pulsed surface discharge in different circuit configurations are visualized through Schlieren imaging. These shock waves generate an impulse that increases linearly with the energy deposited in the discharge. We develop a shock model to describe the shock trajectory and to compute the impulse imparted by the pulsed surface discharge. The model is in good agreement with our measurements and the pulsed surface discharge is found to have a mechanical efficiency of 0.12 mNs/J for our setup configuration. We conclude this study by comparing the proposed pulsed surface discharge actuator with other common designs and offer some directions for future studies.

Cette thèse est effectuée dans le cadre du projet Européen "PlasmAero" dont le but est de développer et d'étudier des actionneurs plasmas, et de démontrer leur capacité à contrôler des écoulements aérodynamiques. L'actionneur plasma à Décharge à Barrière Diélectrique (DBD) de surface est un moyen innovant pour contrôler un écoulement en utilisant le vent électrique induit par la force électrohydrodynamique (EHD) générée au sein du gaz ionisé. Une première partie est dédiée à l'étude des actionneurs plasmas. L'influence de la géométrie de l'électrode active d'une DBD est précisée par des mesures électriques, optiques et mécaniques. Les régimes de la décharge de surface peuvent être totalement modifiés, tout commel'évolution de la force EHD en fonction du temps, calculée ici par bilan intégral. Une géométrie optimisée permet de supprimer le régime de décharge streamer et d'augmenter l'efficacité de l'actionneur de 0,65 à 0,97 mN/W. De plus, des configurations à multi-électrodes (sliding discharge et multi-DBD) sont étudiées et développées. Une multi-DBD à potentiels alternés a permis d'obtenir un vent électrique record de 10,5 m/s.L'étude du contrôle d'un écoulement décollé à mi-corde ou en bord de fuite sur l'extrados d'un profil NACA 0015 fait l'objet de la seconde partie de la thèse. Une DBD standard à deux électrodes, une multi-DBD à six électrodes et une DBD de type "nanoseconde" sont utilisées pour agir sur une séparation à des nombres de Reynolds atteignant 1,3μ106, avec une transition naturelle ou déclenchée. Les résultats démontrent que le contrôle permet de repousser efficacement la séparation, améliorant ainsi les performances aérodynamiques du profil. / This work is conducted in the framework of the European PlasmAero project that aims to demonstrate how plasma actuators can be used to control aircraft aerodynamic. Surface Dielectric Barrier Discharge (DBD) is an innovative solution to control a flow with the electric wind induced by the electrohydrodynamic (EHD) force produced by a surface discharge. A first part is dedicated to plasma actuators study. The exposed electrode shape of a DBD actuator is investigated by electrical, optical and mechanical characterization. Discharges properties and EHD force evolution is fully dependent of exposed electrode shape. With an optimized active electrode shape, streamer discharge is cancelled while actuator effectiveness is increased from 0.65 to 0.97 mN/W. Flow field induced by multiple electrode design is also investigated. An innovative multi-DBD design is proposed. Inhibition of mutual interaction between successive DBD actuators and exposed electrode shape optimization conduct to an electric wind velocity of 10.5 m/s. In a second part, the control of boundary layer separation on a NACA 0015 airfoil is investigated. An ac DBD, a multi-DBD and a nanosecond DBD are used to manipulate separation at a Reynolds number Re = 1.3μ106, with tripped and natural boundary layer. Results show that actuators can effectively remove the separation existing without actuation.