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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.

Electrically assisted combustion has been studied in order to control or improve flame characteristics, and emphasizing efficiency and emission regulation. Many phenomenological observations have been reported on the positive impact of electric fields on flame, however there is a lack of detailed physical mechanisms for interpreting these. To clarify the effects of electric fields on flame, I have investigated flame structure, soot formation, and flow field with ionic wind electrical current responses in nonpremixed counterflow flames. The effects of direct current (DC) electric field on flame movement and flow field was also demonstrated in premixed Bunsen flames. When a DC electric field was applied to a lower nozzle, the flames moved toward the cathode side due to Lorentz force action on the positive ions, soot particles simultaneously disappeared completely and laser diagnostics was used to identify the results from the soot particles. To understand the effects of an electric field on flames, flow visualization was performed by Mie scattering to check the ionic wind effect, which is considered to play an important role in electric field assisted combustion. Results showed a bidirectional ionic wind, with a double-stagnant flow configuration, which blew from the flame (ionic source) toward both the cathode and the anode. This implies that the electric field affects strain rate and the axial location of stoichiometry, important factors in maintaining nonpremixed counterflow flames; thus, soot formation of the counterflow flame can also be affected by the electric field. In a test of premixed Bunsen flames having parallel electrodes, flame movement toward the cathode and bidirectional ionic wind were observed. Using PIV measurement it was found that a created radial velocity caused by positive ions (i.e. toward a cathode), was much faster than the velocity toward the anode. Even in a study of alternating current (AC) electric fields, bidirectional ionic wind could be observed, regardless of applied frequencies. Therefore, the effect of ionic wind cannot be considered negligible under both DC and AC electric fields. Detailed explanations for electrical current, flame behavior, and flow characteristics under various conditions are discussed herein.

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).

Electrohydrodynamics (EHD) is a promising research field with several trending applications. Even though the phenomenon was first observed centuries ago, there is very little research until the middle 20th century, as the mechanisms behind it were very poorly understood. To this date, the majority of research is based on the development of empirical models and the presentation of laboratory experiments. This work begins with an extensive literature review on the phenomenon, clarifying conflicts between researchers throughout the history and listing the findings of the latest research. The literature review reveals that there are very few mathematical models describing even the most important parameters of the EHD fluid flow and most are either empirical or greatly simplified. As such, practical mathematical models for the assessment of all primary performance characteristics describing EHD fluid accelerators (Voltage Potential, Electric Field Intensity, Corona Discharge Current and Fluid Velocity) were developed and are begin presented in this work. These cover all configurations where the emitter faces a plane or another identical electrode and has a cylindrical surface. For configurations where the emitter faces a plane or another identical electrode and has a spherical surface, Corona Discharge Current and Fluid Velocity models have been presented as well. Laboratory experiments and computer simulations were performed and are being thoroughly presented in Chapter 4, verifying the accuracy and usability of the developed mathematical models. The laboratory experiments were performed using two of the most popular EHD electrode configurations - wire-plane and needle-grid. Finally, the findings of this research are being summarized in the conclusion, alongside with suggestions for future research. The step-by-step development of the equipotential lines mathematical model is presented in Appendix A. Appendix B covers the mathematical proof that the proposed field lines model is accurate and that the arcs are perpendicular to the surface of the electrodes and to all of the equipotential lines.

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.

L’effet Biefeld-Brown, du nom de ses découvreurs dans les années 1920, désigne la force électrohydrodynamique (EHD) s’appliquant sur deux électrodes sous haute tension dans l’air. Si l’origine de cette force a pu faire l’objet de certaines spéculations, il est aujourd'hui admis qu’elle repose sur l’accélération par un fort champ électrique d’un volume d’air partiellement ionisé. Cet effet aussi appelé vent ionique intéresse diverses applications : contrôle actif d’écoulement, augmentation du transfert de chaleur par convection forcée, séchage de denrées alimentaires ou encore la propulsion. Cette thèse, présente une étude expérimentale, théorique et numérique du vent ionique dans une configuration modèle à deux électrodes parallèles. Le faible rendement du vent ionique l’a écarté des applications à la propulsion mais des expériences récentes menées en 2013 montrent qu’il permet d’atteindre un rapport poussée/puissance étonnement élevé. Nous montrons dans une première partie, à partir de mesures et de considérations aérodynamique générales que la poussée générée pourrait suffire à contrebalancer la force de traînée pour certains aéronefs ultra-légers. Ces mesures ont permis de quantifier la force EHD et sa dépendance avec la géométrie des électrodes. En outre, la meilleure configuration à deux collecteurs peut produire une poussée presque deux fois plus importante qu’une configuration avec un seul collecteur, à tension fixée. Ces premiers résultats ont été affinés dans un second temps par les mesures PIV qui ont permis la reconstruction de l’écoulement et du champ de force entre les électrodes. Les vitesses mesurées dépassent rarement 3 m/s, et la force volumique est de l’ordre de 10 N/m 3. L’origine physique de la configuration optimale à deux collecteurs a été éclaircie par la mise en évidence des structures de sillages et de leurs effets instationnaires. Par ailleurs, une analyse théorique générale de la force propulsive nous a permis de confirmer sa dépendance explicite avec le rapport courant sur mobilité ionique. Le courant étant directement lié à la physique de la décharge couronne, la seconde partie de la thèse s’est concentrée sur son analyse théorique et numérique. Une analyse asymptotique a ainsi permis de trouver une expression analytique du champ électrique critique et de la caractéristique courant-tension permettant de connaître l’influence de la densité du gaz et de sa composition sur le courant produit dans des électrodes concentriques. Cette approche asymptotique a été associée à une formulation de décomposition de domaine dans le cadre d’une discrétisation par éléments finis pour analyser des configurations plus générales. Une résolution itérative du système d’équations stationnaires non-linéaire couplées par méthode de Newton est proposée, testée et validée. Cette méthode peut être étendue à des géométries plus complexes, permettant ainsi d’obtenir une condition d’injection des charges prenant en compte la physique complexe de la décharge. / The Biefeld-Brown effect, named after its discoverers in 1920s, stands for the electrohydrodynamic (EHD) force applied on two high voltage electrodes in air. The origin of this force has been subject to controverse, but it is establised that it relies on the acceleration of ionized air by a strong electric field. Numerous applications are associated with ionic wind : active flow control, heat transfer enhancement, food drying or even propulsion. At the first glance, the low efficiency is unattractive for propulsion. However recent experiments highlighted a surprisingly high thrust/power ratio. This PhD research aimed to better understand the phenomena, through experiments and theoretical or numerical analysis. First, an experimental study was carried out to quantify the EHD force and its variations with the geometry of the electrodes. For instance, the best position of two collecting electrodes could produce nearly twice more thrust than the one collector configuration, for a given applied voltage. Considering the mass and the aerodynamic of some already existing very light aircrafts, it is shown that the produced thrust could at most balance the aerodynamic drag. This first results were enhanced by PIV measurements, which gave deeper insight into the flow and the force field between the electrodes. The air speed recorded was at most around 3 m/s, while the volumetric force of the order of 10 N/m3. The physical explaination of the optimal two collectors configuration relied partially on the wake flow structures and their unsteady effects. Then, a theoretical analysis of the propulsive force confirmed its explicit dependence on the current to mobility ratio. The discharge current being determined by the corona discharge physics, the second part of this work focuses on its theoretical and numerical analysis. An asymptotic approach of the corona discharge for concentric cylindrical electrodes led to an explicit expression of both the onset surface electric field and the current-voltage law as functions of the gas density, the effective ionization coefficient and the electrodes size. This asymptotic approach was reformulated in the frame of a domain decomposition method, implemented numerically with a finite elements discretization, in order to generalize the asymptotic approach. The iterative algorythm for the steady non-linear coupled system of equations is based on Newton method. This method provides a physically relevant boundary condition for the charge injection and can be applied to more complex geometries.

Les plasmas froids d’air à pression atmosphérique sont très utiles pour un grand nombre d’applications grâce à leur chimie hors-équilibre et leur souplesse d’utilisation. Leur intérêt réside dans la production de certaines espèces réactives ou chargées avec un coût énergétique plus avantageux que la chimie à l’équilibre. L’objectif de cette thèse est de combiner les décharges nanosecondes répétitives pulsées (NRP) avec une géométrie micrométrique. Par cette combinaison, nous souhaitons palier au chauffage excessif des étincelles qui génèrent pourtant des fortes densités d’espèces. Notre étude se concentre en trois points principaux. Dans un premier temps la phase de claquage est étudiée ; c’est pendant cette étape que l’énergie est déposée et que les espèces sont produites. La combinaison des diagnostics électriques et de spectroscopie d’émission optique montrent que l’air est presque complètement dissocié et ionisé. Ensuite, nous nous intéressons à la phase de recombinaison qui conditionne la durée de vie de ces espèces. Les résultats mettent en évidence une réaction à trois corps comme mécanisme de recombinaison principal. Et enfin, le dernier point concerne le transport des espèces vers un substrat conducteur. En lui appliquant une tension, celui-ci nous permet de générer un écoulement de vent ionique provenant de la décharge. L’écoulement est étudié par vélocimétrie d’images de particules et imagerie Schlieren. Ce travail a permis de démontrer la capacité des NRP micro-plasmas dans la production contrôlée d’espèces réactives et chargées, mais aussi dans leur transport vers une surface par panache électro-aérodynamique. / Non-thermal plasmas generated in air at atmospheric pressure have numerous potential applications due to their non-equilibrium chemistry and ease of use. Their main advantages lie in the cost-efficient production of reactive and charged species compared to that of equilibrium chemistry. The aim of this thesis is to combine nanosecond repetitively pulsed discharges (NRP) with a microscale geometry. Using this combination, we seek to reduce the excessive heat release of NRP sparks, while nonetheless reaching high densities of reactive species and electrons. This work is comprised of three main parts. Our first goal is to study the breakdown phase, in which energy is deposited and charged species are produced. We employ both electrical characterization and optical emission spectroscopy in order to show that the NRP microplasma fully ionizes and dissociates the gas. The second part consists of the study of the recombination phase, in which the produced species recombine or survive. Results show that three-body recombination can explain the electron lifetime in this phase. Finally, we study the transport of plasma chemical species from the microplasma to a DC-biased conductive plate representing a substrate. By applying a voltage to this third electrode, we drive an electro-thermal plume via an ionic wind from the microplasma to the plate. This flow is investigated mainly by particle image velocimetry as well as Schlieren imaging. This work shows the capability of NRP microplasmas to produce high densities of reactive and charged species and transport them to a surface using an electrohydrodynamic plume.

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