contrôle par actionneur plasma de la séparation au bord d
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Contrôle par actionneur plasma de la séparation au bord d’attaque d’un profil NACA 0015 en incidence :
Analyse spatio-temporelle par PIV rapide
N.Benard1, P.Braud1, J.Jolibois1 and E.Moreau11LEA, University of Poitiers, CNRS, ENSMA, FRANCE.
[email protected]@lea.univ-poitiers.fr
Le contrôle par plasma en aérodynamiquePrincipe
Consiste à créer une décharge électrique de surface afin de modifier une couche limite
Objective : apporter de la quantité de mouvement (vent électrique)
Actionneur plasma = convertisseur électromécanique
- Production d’ions
- Collisions avec particules neutres
Avantages
Simple, faible consommation, non-intrusif, temps de réponse très courtLimitation
L’écoulement induit reste peu rapide (~6 m/s)
Actionneur
Le contrôle de la séparation par plasma
Sosa et al., AIAA 2004, Exp. In Fluids, 2007Jolibois et al., J Electrost. 2008
Moyens de mesure
Mesures globales par balance aérodynamique
Mesures spatiales par PIV
Remax
=500000
Aucune données sur le processus de recollement
Mesures par PIV RT :
- Interaction plasma/air
-
Dynamique du recollement
Moyens expérimentaux I
Profil utilisé
NACA 0015, corde 20 cm, envergure 30 cm
Soufflerie
Soufflerie ouverte Eiffel
Veine d’essai (30x40 cm)
Intensité turbulente < 4 %
Vitesse = 20 m/s (Re = 260000)
Incidence 16° → blocage ≈ 13 %
Moyens expérimentaux IISystème PIV RT
Laser rapide Pegasus (10 mJ à 2 kHz) + 10-bit camera (Photron APX-RS, 1024x1024 pixels2)
Particules : gouttelettes huiles (≈ 1 µm), Ondina 15
Fréquence d’acquisition = 3 kHz, durée = 2 secondes (5980 couples d’images) →convergence
Algorithme PIV Lavision: multipass (64x64 → 32x32, recouvrement = 50 %), Taux de vecteur rejeté< 3.5%
Résolution spatiale = 3.68x3.68 mm2 → pas d’information en proche paroi
Déplacement en pixel
Taux de rejet des vecteurs calculés Vérification convergence vitesses
Moyens expérimentaux III
Actionneur: décharge à barrière diélectrique
Deux électrodes en aluminium (80 µm)
Couvre 54 % de l’envergure
Equipement électrique
Amplificateur haute-tension (Trek 30 kV/40 mA)
Générateur de signal (Tti, TG 1240)
Caractériqtiques électriques
Forme d’onde sinusoïdale, E = 18 kV, f = 1.5 khz
Puissance consommée = 1.3 W/cm
Vent électrique
« Jet » de 4 m/s parallèle à la surface
Bord d’attaque, action co-flow
Pas de transition forcée
Écoulement de base –
Champs instantanés
Actionneur
Ecoulement de base
Décollement massif
Bulbe de séparation simple délimité par une couche de cisaillement libre
Allée tourbillonnaire conventionnelle
Écoulement de base –
Champs moyensVitesses moyennes
Séparation à x/C ≈ 5 %
Fluctuations moyennes
Intensité turbulente >30%
Dynamique tourbillonaire
Région de vorticité depuis le
point de séparation
Vitesse de convection de ~8-10 m/s
Ecoulement de base –
Analyse instationnaire
Corrélations croisées temporelles et l’échelle intégrale de longueur
Chaque structure grossit linéairement
lors de leur convection
→ 0.0668 0.0118xLC C= +
Fréquence du laché
tourbillonnaire fV
≈
90 Hz
→
F+ = (fV x C / U0 ) ≈
1
Forçage stationnaire –
Champs moyensVitesses moyennes
Recollé jusqu’à x/C ≈ 85 %
Fluctuations moyennes
Intensité turbulente ≈ 5 % au bord d’attaque Région d’interaction plasma/air
Forçage stationnaire–
Champs instantanés
Corrélations spatio-temporelles et temporelles
Point de séparation reculé mais aucun effet sur fwk, i.e. fwk≈100 Hz
Analyse instationnaire
Le recollement est stable
Traces de fluctuations de vitesse au bord de fuite
Forçage instationnaire–
Champs instantanésAction pulsée
Rapport cyclique de 6% Consommation électrique réduite de 94% i.e. 20 mW/cm
Analyse instationnaire
F+=0.5 Écoulement décollé
F+=1 Recollement instable
F+=1.5 Recollement effective
Scénario du recollement
Dynamique du recollement
La décharge favorise la coalescence ou l’énergisation de structures cohérentes naturelles
Un transfert de quantité de mouvement du flux externe vers l’extrados conduit au recollement
Processus du recollement
Le vent électrique modifie une structure cohérente existante (ou coalescence de 2 vortexvort-1 et vort-2)
La taille du vortex résultant augmente (Vort-3), et favorise le transfert de quantité de mouvement
Les structures suivantes (Vort-4) ‘roulent’ le long de la corde
L’actionneur plasma sert de « catalyseur »
(voir Graftieaux et al, 2001 pour le critère Γ1 )
Conclusion
Confirmation de l’autorité des actionneurs plasma pour le contrôle de la séparation
Informations détaillées de l’écoulement de base
Séparation à 5% de la corde
Caractérisation de l’allée tourbillonnaire
Observations des écoulements contrôlés
Déplacement du point de séparation
Instationnarité du recollement
Compréhension du principe général du recollement
Pas de création de vortex mais interaction avec structures naturelles