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.

Dans le cadre de cette thèse, des Décharges à Barrières Diélectrique (DBD) pulsées de volume et de surface ont été étudiées expérimentalement, dans le but de les appliquer respectivement à la précipitation électrostatique de particules submicroniques et à la régénération de surface.La caractérisation des DBD pulsées a consisté à effectuer des mesures électriques (courant, énergie) et optiques (imagerie ICCD), afin d'observer l'influence des paramètres électriques et géométriques, ainsi que des matériaux utilisés, sur les propriétés de la décharge. Il en ressort que pour les deux types de DBD (surface et volume), le courant présente deux pics durant les fronts montant et descendant du pulse de tension, et que les deux décharges ont des aspects différents (filamentaire ou diffus).Concernant la précipitation électrostatique, l'efficacité de collecte des électrofiltres a été déterminée par des mesures granulométriques. Les résultats montrent que celle-ci est influencée par les paramètres électriques et géométriques des électrofiltres. Une caractérisation des phénomènes EHD au sein des électrofiltres par métrologie optique (LDV et PIV) a été effectuée afin de comprendre les mécanismes de charge et de dérive des particules.Ensuite, la régénération de surface a été étudiée en analysant les images de la surface polluée, avant et après le traitement. Les résultats révèlent que les performances de la régénération sont influencées par les paramètres électriques, géométriques et les matériaux des réacteurs DBD. Les mécanismes de la régénération ont été analysés en relevant l'évolution de la taille et la concentration des particules générées lors du processus de régénération. / As part of this thesis, volume and surface pulsed Dielectric Barrier Discharges (DBD) were investigated experimentally for applications in the electrostatic precipitation of submicron particles and surface regeneration, respectively. First, the characterization of pulsed DBDs consisted of performing electrical measurements (current, power) and optical measurements (ICCD imaging) in order to observe the influence of electrical and geometrical parameters as well as materials on the properties of the discharge. It is demonstrated that for both types of DBD (surface and volume), the current has two peaks during the rising and falling times of the voltage pulse, corresponding to distinct streamer and glow discharge regimes, respectively.Next, the collection efficiency of electrostatic precipitation (ESP) was determined by granulometric measurements. The results show that the efficiency is influenced by the electrical and geometrical parameters of the precipitator. A characterization of EFD phenomena was performed inside the precipitator by optical metrology (LDV and PIV) to understand the mechanisms of charge and particle drift. Finally, surface regeneration was investigated by analyzing images of the contaminated surface, before and after treatment. The results reveal that the regeneration process is influenced by electrical and geometrical parameters and DBD reactor materials. The mechanisms of regeneration were analyzed in-situ by measuring changes in the size and concentration of the generated particles during the process of regeneration.

En l’espace d’une dizaine d’années, les jets de plasma froid à pression atmosphérique ont su s’imposer comme un outil pertinent pour les applications biomédicales. La simplicité de conception et d’utilisation de ces dispositifs, combinée à leurs facultés de produire des espèces réactives (NO, OH, O …), ont significativement contribué au développement rapide du domaine. Beaucoup d’efforts ont été entrepris dans le développement de diagnostics quantitatifs, pour mesurer la production des espèces réactives dans la plume plasma d’un jet donné. Toutefois, la diversité des géométries de décharge, des sources d’alimentations électriques ou des conditions d’utilisation, rendent les comparaisons d’un jet à l’autre, difficiles. Cette thèse a porté sur l’étude du jet de plasma froid à pression atmosphérique développé au GREMI, le Plasma Gun (hélium, impulsion de tension microseconde). Nous avons étudié les mécanismes de décharge susceptibles de considérablement affecter la production d’espèces réactives, dans des conditions approchantes d’applications biomédicales. La thèse s’articule en trois chapitres principaux : l’étude de la modification de l’écoulement de l’hélium par plasma (par strioscopie) ; l’étude de la propagation du plasma dans le capillaire diélectrique (étude expérimentale et numérique de la dynamique de propagation rapide du plasma et de l’évolution du champ électrique en mélange hélium-azote) ; l’étude de l’interaction du plasma avec une cible conductrice (mesures dans le capillaire et dans la plume de l’évolution spatiale et temporelle de la concentration des métastables de l’hélium, corrélées à des mesures du champ électrique). Ce dernier point est en particulier représentatif de tout jet plasma en condition traitement biomédical in vivo et tend à faire une distinction fondamentale avec les mécanismes de décharge du jet plasma dit « libre », sans obstacle entravant la plume plasma. / Over the past ten years, the cold atmospheric pressure plasma jets (CAPPJ) became useful devices for biomedical applications. Their relatively simple design and use, combine with their ability to produce reactive species (NO, OH, O, …), led to a rapid research growth in this field. A lot of studies have been devoted to quantitative diagnostics development for the reactive species production measurements in the plasma plume. However, it is difficult to compare one jet with another because of the huge variety of discharge geometries, electric power supplies or operating conditions. This thesis deals with the study of the CAPPJ developed in GREMI, the Plasma Gun (helium feeded, microsecond voltage pulse). We have studied discharge mechanisms which strongly impact the reactive species production in near target biomedical application conditions. This study is divided in three parts : the study of helium flow modifications induced by the plasma (strioscopy visualization); the study of plasma propagation inside dielectric capillary (experimental and numerical study of fast plasma propagation dynamic and electric field evolution for helium-nitrogen mixtures); the study of conductive target-plasma interaction (space and time resolved measurements inside the capillary and the plasma plume of helium metastable production, correlated with electric field evolution). The conductive target contact concerns any in vivo biomedical treatments. CAPPJ in front of such a conductive target leads to fundamentally different discharge mechanisms compare to the free jet case.

Les thérapies anticancéreuses basées sur des principes physiques (radiofréquences, ultrasons, laser, électroporation...) ont considérablement augmenté lors de la dernière décennie. Leurs objectifs sont de détruire directement les cellules cancéreuses, de favoriser l'entrée ciblée de molécules thérapeutiques ou encore de stimuler le système immunitaire du patient afin d'éliminer la tumeur. Le plasma froid suscite l'intérêt dans le domaine de l'oncologie grâce à sa capacité à générer des espèces réactives oxygénées (ROS) et azotées (RNS) qui peuvent être génotoxiques et cytotoxiques pour les cellules cancéreuses. Deux approches d'utilisation du plasma sont étudiées : soit l'exposition directe de cellules au jet plasma, soit l'exposition indirecte via l'utilisation d'un Milieu Activé par Plasma (PAM). Le PAM étant plus facile à délivrer par injection dans la tumeur, c'est cette approche qui est choisie lors de ces travaux. Le travail de thèse présenté consiste à étudier l'effet génotoxique et cytotoxique du PAM, obtenu après exposition du milieu au jet de plasma d'hélium, sur des tumeurs in vitro et in vivo. Pour les études in vitro, nous avons choisi d'utiliser un modèle 3D : le sphéroïde (MCTS - MultiCellular Tumor Spheroid). Ce modèle présente des caractéristiques proches du modèle in vivo grâce à son organisation en sphéroïde. Les MCTS présentent en effet des gradients de pénétration d'oxygène, de nutriments et de prolifération cellulaire. La première partie de la thèse concerne l'identification et la quantification des espèces générées dans le PAM. Les méthodes d'analyses utilisées sont la résonance paramagnétique électronique, la fluorimétrie, la colorimétrie, la chromatographie en phase liquide et la spectrométrie de masse. Ces analyses ont mis en évidence que la toxicité du PAM était due à plusieurs facteurs : d'un côté la génération de ROS et RNS mais aussi à la dégradation des nutriments pour les cellules contenues dans le milieu via par exemple l'oxydation et la nitrosylation des acides aminés. La deuxième partie est dédiée à l'étude des effets du PAM sur les MCTS HCT-116 (cancer du côlon).[...] / Cancer therapies based on physical principles (radiofrequency, ultrasound, laser, electroporation...) have considerably increased in the last decade. Their objectives are to directly destroy cancer cells, to favor the targeted entry of therapeutic molecules or to stimulate the patient's immune system in order to eliminate the tumor. Cold plasma still arouses interest in the field of oncology through its ability to generate reactive oxygen species (ROS) and nitrogen species (RNS) which can be genotoxic and cytotoxic for cancer cells. Two approaches to the use of plasma are studied: either direct exposure of cells to the plasma jet, or indirect exposure via the use of a Plasma Activated Medium (PAM). The PAM being easier to deliver by injection into the tumor, this approach was chosen in this work. The work presented consists in studying the genotoxic and cytotoxic effects of PAM resulting from exposure of the medium to the helium plasma jet on in vitro and in vivo tumors. For in vitro studies, we chose to use a 3D model: the spheroid (MCTS - MultiCellular Tumor Spheroid). This model has similar characteristics to the in vivo model thanks to its spheroidal organization. The spheroids have indeed gradients of oxygen penetration, nutrients and cell proliferation. The first part of the thesis concerns the identification and quantification of the species generated in PAM. The analytical methods used are paramagnetic electronic resonance, fluorimetry, colorimetry, liquid chromatography and mass spectrometry. These analyses revealed that the toxicity of PAM was due to several factors: on the one hand to the generation of ROS and RNS and on the other hand to the degradation of cell nutrients contained in the medium via, for example, the oxidation and nitrosylation of the amino acids. The second part is dedicated to the study of the effects of PAM on HCT-116 (colon cancer) spheroids[...]