50376-2009-Gimeno

N dordre : 40056

Thse Prsente

LUniversit des Sciences et Technologies de Lille Lille I par

Leticia GIMENO MONGE en vue dobtenir le grade de

Docteur en Micro et Nano technologies, Acoustique et Tlcommunications

Titre de la thse :

Composants MEMS pour laronautique : application au contrle actif dcoulements.

Soutenue le 17 Juin 2009 devant le jury dexamen :

Rapporteur M. Jean-Paul Bonnet Directeur de recherche CNRS, LEA Poitiers

Rapporteur M. Bertrand Nogarde Professeur lInstitut National Polytechnique de Toulouse

Examinateur M. Lionel Buchaillot Directeur de recherche CNRS, IEMN Lille

Examinateur M. Eric Garnier Ingnieur de recherche HDR, ONERA DAAP Meudon

Examinateur M. Didier Pagan Head of Aerodynamics, MBDA France Examinateur M. Abdelkrim Talbi Matre de Confrences lEcole Centrale

de Lille Invit M. Azeddine Kourta Professeur l'Ecole Polytechnique

d'Orlans Invit M. Vladimir Preobrazhensky Professeur lEcole Centrale de Lille, Directeur de recherche l'Acadmie des Sciences de Russie Directeur de thse M. Alain Merlen Professeur lUniversit de Lille I Directeur de thse M. Philippe Pernod Professeur lEcole Centrale de Lille

Thse prpare au sein du IEMN/LEMAC

-i-

A ma famille et Laurent, pour sa comprhension et sa patience

-ii-

[] Oh, indeed. And now you know the universe isnt just a light show. They keep it running during the day too!

The man clenched his wrinkled hands and said: Live for those moments! They keep you alive!

There is no better medicine than finding out that you are wrong! []

Terry Pratchett, Nation.

-iv-

Remerciements Ce travail a t ralis au sein du Laboratoire Europen associ en Magnto

ACoustique non linaire de la matire condense (LEMAC), laboratoire franco-russe, dans la partie franaise situe lInstitut dElectronique, de Microlectronique et de Nanotechnologies (IEMN, CNRS UMR 8520). Je remercie la Fondation dentreprise EADS pour mavoir tmoign sa confiance en accordant le financement sans lequel cette thse naurait pas pu tre poursuivie.

Je remercie vivement M. Philippe PERNOD, professeur lEcole Centrale de Lille, M. Alain MERLEN, professeur lUniversit des Sciences et des Technologies de Lille, et M. Lionel BUCHAILLOT, directeur de recherche CNRS lIEMN pour leur encadrement et pour la confiance quils mont tmoigne tout au long de ces annes de travail.

Je tiens remercier tout spcialement M. Abdelkrim TALBI, matre de confrences lEcole Centrale de Lille, galement investi dans lencadrement de mon travail : il sest toujours montr toujours disponible, que ce soit pour rpondre mes questions, pour des discussions toujours pertinentes ou pour des sances de brainstorming souvent fructueuses.

Jassocie galement ces remerciements M. Jean-Paul BONNET, directeur de recherche CNRS au LEA Poitiers, et M. Bertrand NOGAREDE, Professeur lInstitut National Polytechnique de Toulouse, pour avoir accept de rapporter sur ce travail.

Mes remerciements vont galement aux membres du jury : M. Eric GARNIER, ingnieur de recherche lONERA, M. Azzedine KOURTA, Professeur lEcole Polytechnique dOrlans, M. Vladimir PREOBRAZHENSKY, Professeur lEcole Centrale de Lille, et M. Didier PAGAN, directeur du dpartement arodynamique de la socit MBDA France et galement mon tuteur de la Fondation EADS. Je tiens aussi remercier tout particulirement Mme. Elisabeth DELOS pour son aide et sa disponibilit pour la caractrisation lectrique de mes microcapteurs fil chaud, ainsi que M. Vincent MORTET et M. Ali SOLTANI pour avoir fourni les dpts de diamant nanocristallin et quelques bons conseils. Merci aussi lensemble du personnel de la salle blanche (III-V, Silicium) de lIEMN pour ses conseils et sa disponibilit. Un grand merci mes collgues de lIEMN et en particulier ceux du LEMAC (Olivier, Yannick, Sami, Jean-Franois, Jrmy, Nicolas, Romain) pour avoir permis que mon sjour lIEMN soit un enrichissement quotidien.

-vi-

Table des matires

CHAPITRE 1 GENERALITES ........................................................................................................ 5

1 CONTEXTE ACTUEL ET EVOLUTION ............................................................................................... 6 1.1 INTRODUCTION............................................................................................................................... 6 1.2 EVOLUTION DU MARCHE DU TRANSPORT AERONAUTIQUE ............................................................ 6 1.3 CONSIDERATIONS ENVIRONNEMENTALES...................................................................................... 7 1.4 UNE VISION POUR 2020 .................................................................................................................. 8 1.5 UNE SOLUTION PRESENTE ET FUTURE: LE CONTROLE DECOULEMENT ....................................... 10 2 SOLUTIONS POUR LE CONTROLE DECOULEMENT ...................................................................... 11 2.1 INTRODUCTION............................................................................................................................. 11

2.1.1 Quest-ce que le contrle dcoulement ?................................................................................. 12 2.1.2 O agit le contrle dcoulement ? Exemples commerciaux de contrle ................................. 12 2.2 STRATEGIES DUTILISATION DU CONTROLE DECOULEMENT ...................................................... 16 2.2.1 Contrle passif .......................................................................................................................... 18 2.2.2 Contrle actif ............................................................................................................................ 18

3 INTERET DES MEMS POUR LE CONTROLE ACTIF ....................................................................... 20 4 CONCLUSIONS ................................................................................................................................ 21

CHAPITRE 2 ACTIONNEURS: ETAT DE L'ART ................................................................... 25

1 ACTIONNEURS POUR LE CONTROLE ACTIF DECOULEMENT ...................................................... 26 1.1 ACTIONNEURS MODIFICATEURS GEOMETRIQUES POUR LE CONTROLE DE COUCHE LIMITE......... 26 1.2 ACTIONNEURS OSCILLATOIRES POUR LE CONTROLE DE DECOLLEMENT ..................................... 30 1.2.1 Jets pulss.................................................................................................................................. 31 1.2.2 Jets synthtiques........................................................................................................................ 36 2 AUTRES APPLICATIONS DES JETS SYNTHETIQUES ....................................................................... 50 3 CONCLUSIONS ................................................................................................................................ 54

CHAPITRE 3 DIMENSIONNEMENT ET MODELISATION D'UN ACTIONNEUR A JET SYNTHETIQUE.................................................................................................................................. 61

1 DIMENSIONNEMENT DU DISPOSITIF.............................................................................................. 62 1.1 CHOIX DE LA GEOMETRIE DU JET ................................................................................................. 62 1.2 ETUDE DE LA GEOMETRIE DU DISPOSITIF ..................................................................................... 68 1.3 MODELE THEORIQUE (ANALYTIQUE) DU JET................................................................................ 75

-vii-

2 DIMENSIONNEMENT DE LACTIONNEMENT ................................................................................. 80 2.1 CHOIX DU MATERIAU DE LA MEMBRANE ..................................................................................... 80 2.2 BILAN DES FORCES SUR LA MEMBRANE ....................................................................................... 81 2.3 CHOIX DE LA METHODE DACTIONNEMENT ................................................................................. 83 2.4 DIMENSIONNEMENT DE LACTIONNEMENT ELECTROMAGNETIQUE............................................. 85 2.4.1 Choix de laimant...................................................................................................................... 86 2.4.2 Champ produit par une bobine.................................................................................................. 87 2.4.3 Interaction aimant-bobine ......................................................................................................... 90 2.4.4 Prise en compte de la frquence : fonctionnement en dynamique ............................................ 91 3 ETABLISSEMENT DES GEOMETRIES DEFINITIVES ........................................................................ 92

CHAPITRE 4 CONCEPTION, FABRICATION ET CARACTERISATION D'UNE VALVE A JET SYNTHETIQUE ..................................................................................................................... 95

1 PROCEDE DE FABRICATION........................................................................................................... 96 1.1 METHODES DE GRAVURE DU SILICIUM......................................................................................... 97 1.2 ASSEMBLAGE DES PLAQUETTES................................................................................................. 100 1.3 REALISATION TECHNOLOGIQUE ................................................................................................. 101 2 CARACTERISATION DES DISPOSITIFS ......................................................................................... 103 2.1 EVOLUTION TEMPORELLE DU SIGNAL ........................................................................................ 105 2.2 EVOLUTION FREQUENTIELLE ..................................................................................................... 110 2.3 EVOLUTION DU DEPLACEMENT MAXIMAL DE LA MEMBRANE ................................................... 112 2.4 RELATION VITESSE PUISSANCE DACTIONNEMENT .................................................................... 115 2.5 EVOLUTION DE LA VITESSE SUR LAXE DU JET .......................................................................... 116 3 COMPARAISON THEORIE EXPERIENCE....................................................................................... 119 3.1 COMPARAISON EXPERIENCES-MODELE THEORIQUE .................................................................. 119 3.2 COMPARAISON EXPERIENCES-SIMULATION ............................................................................... 122

4 CONCLUSIONS .............................................................................................................................. 126

CHAPITRE 5 ETUDE DE L'ELEMENT CAPTEUR : MICRO ANEMOMETRE A FIL CHAUD .............................................................................................................................................. 129

1 MICROCAPTEURS POUR LA CARACTERISATION DES ECOULEMENTS : ETAT DE LART .......... 130 1.1 CAPTEURS DE VITESSE : ANEMOMETRIE A FIL CHAUD .............................................................. 130 1.2 CAPTEURS DE FROTTEMENT....................................................................................................... 134 1.3 CAPTEURS DE PRESSION ............................................................................................................. 138 1.4 POURQUOI LE CHOIX DU CAPTEUR A FIL CHAUD ? ..................................................................... 139

-viii-

2 OPTIMISATION DE LA STRUCTURE MULTICOUCHE METALLIQUE SUR SILICIUM POUR LELEMENT CAPTEUR ........................................................................................................................ 140 2.1 ETUDE DES PROPRIETES PHYSIQUES DES MATERIAUX EN MONOCOUCHE .................................. 142 2.1.1 Tests de contraintes................................................................................................................. 142 2.1.2 Mesures de rsistivit en pleine plaque................................................................................... 144 2.2 ETUDE DES PROPRIETES PHYSIQUES DE LA MULTICOUCHE........................................................ 146 2.2.1 Tests de contraintes................................................................................................................. 146 2.2.2 Mesures de rsistivit en pleine plaque................................................................................... 148 2.3 ETUDE DU COMPORTEMENT DE LA RESISTANCE EN TEMPERATURE (TCR) ............................... 148 2.3.1 Tests en monocouche .............................................................................................................. 152 2.3.2 Test en multicouche ................................................................................................................ 157 2.4 CONCLUSIONS ............................................................................................................................ 161 3 DESIGN ET FABRICATION DE LA STRUCTURE............................................................................. 161 3.1 PRINCIPE DE FONCTIONNEMENT DUN ANEMOMETRE AU FIL CHAUD ........................................ 161 3.2 DEFINITION DE LA GEOMETRIE DES DISPOSITIFS........................................................................ 166 3.3 PROCEDE TECHNOLOGIQUE N1 (SU-8) ..................................................................................... 171 3.4 PROCEDE TECHNOLOGIQUE N2 (DIAMANT CVD) .................................................................... 173 4 CONCLUSIONS .............................................................................................................................. 182

CONCLUSION GENERALE .......................................................................................................... 185

ANNEXE 1 ......................................................................................................................................... 189

TABLE DES FIGURES.................................................................................................................... 193

TABLE DES TABLEAUX ............................................................................................................... 202

- 1 -

Introduction Dans lactualit, le monde des MEMS (microsystmes lectromcaniques) connat un succs grandissant : utilisant la base une technologie drive de celle de la microlectronique, on est parvenu la fabrication de transducteurs (capteurs ou actionneurs) de dimensions microscopiques avec leur lectronique intgre sur une seule et mme puce. De nos jours on retrouve des MEMS dans les ordinateurs (capteur de mouvement pour la protection des disques durs en cas de chute, cartouches dimprimante jet dencre), dans les vhicules automobiles (micro acclromtres dans les airbags, capteurs de pression dans les pneus,), dans des vidoprojecteurs (matrices de micro miroirs optiques), les manettes de console de jeux (micro gyroscope multiaxes) ou encore les tlphones portables (micro acclromtres). On observe une demande en croissance constante dans des domaines de plus en plus diversifis, comme la biologie, les tlcommunications ou la microfluidique.

Paralllement, le secteur de laronautique, qui est extrmement concurrentiel lchelle internationale, se retrouve aujourdhui face une socit de plus en plus exigeante et de plus en plus concerne par limpact de son mode de vie sur lenvironnement et o la demande dans le secteur du transport arien prend une importance grandissante. Dans ce contexte, lvolution de lindustrie aronautique passe par la matrise des cots (fabrication, exploitation) ainsi que par la rduction des nuisances environnementales (bruit, missions de COx et NOx, recyclage en fin de vie). Dans ces conditions, des innovations permettant un gain sur un ou plusieurs de ces points critiques constituent un atout et un avantage notable sur le concurrent.

Une des solutions suscitant lintrt est le contrle de lcoulement araulique autour des aronefs, et plus concrtement le contrle des dcollements et des couches limites. Le premier cherche augmenter la portance en contrlant le dcollement du fluide depuis une surface solide (les ailes) grce une perturbation locale de lcoulement proximit de la surface et en amont du dcollement. Le deuxime cherche une rduction de la trane globale en agissant lintrieur de la couche limite pour rduire le frottement local, soit en retardant la transition laminaire/turbulent ou bien en rduisant la contrainte paritale gnre par la couche limite turbulente grce une modification localise des proprits de la paroi solide. Dans les deux cas, lactionnement agit des chelles o les ordres de grandeur des structures (tourbillonnaires) que lon veut modifier sont de lordre du millimtre ou infrieures, ce qui

- 2 -

implique des moyens daction du mme ordre de grandeur. De plus lactionnement doit tre localis aux bons endroits pour parvenir obtenir les effets escompts.

Plusieurs mthodes dactionnement sont actuellement tudies (actionneurs lectro ou magntohydrodynamiques, systmes de dformation locale composs de micro volets ou micro ballons, etc). Parmi ces solutions on y trouve lutilisation dactionneurs fluidiques gnrant un jet oscillatoire (par opposition un jet continu), qui annoncent des performances intressantes. Ces dispositifs peuvent tre utiliss par exemple pour induire le recollement dun coulement dcoll en travaillant la frquence adquate et fournissant une vitesse suffisante. Ils peuvent tre diviss en deux catgories : les gnrateurs de jet puls qui produisent un jet alternant les priodes de soufflage et dobturation ; les actionneurs dits jet synthtique qui produisent un jet oscillatoire alternant des phases de soufflage avec des phases daspiration dont la moyenne en termes de dbit massique sur une priode est nulle. Ces derniers prsentent lintrt de pouvoir tre gnrs sans alimentation fluidique. En revanche, dans le domaine des jets pulss, des dispositifs de dimensions rduites utilisant des technologies MEMS et ayant des performances intressantes pour des applications de contrle ont dj fait leur apparition. Il nen est pas de mme dans le cas des jets synthtiques. Lensemble des solutions existantes et dont les performances sont acceptables est constitu de dispositifs de dimensions macroscopiques.

Lutilisation des microtechnologies pour la conception dun dispositif gnrateur de jets synthtiques prsente plusieurs avantages, comme par exemple la production en grandes sries cots rduits et avec grande reproductibilit grce aux techniques dusinage collectif, la diminution de la consommation des dispositifs, lie la rduction dchelle, ou encore la capacit de contrler indpendamment chaque dispositif. En outre, la diminution dchelle fournie par les microtechnologies permet aussi dajuster les dimensions de lcoulement aux chelles caractristiques des phnomnes contrler (dcollement, tourbillons de la couche limite) tout en fournissant une intgrabilit des systmes (sur maquette ou sur des ailes relles).

Dautre part, dans loptique dun contrle actif localis, comprenant des actionneurs et des lments capteurs associs en une boucle de rtroaction, lutilisation des technologies MEMS se prsente comme une solution trs attractive puisque, aux avantages dcrits ci-dessus en matire dactionnement, sajoutent les avantages que les capteurs tirent des

- 3 -

microtechnologies, comme par exemple une diminution des temps de rponse et une rsolution spatiale accrue.

Cest donc dans ce contexte que se situe le travail de recherche prsent dans cette thse, effectue avec lappui de la Fondation EADS et intitule Composants MEMS pour laronautique : application au contrle actif dcoulements. La thse est divise en cinq chapitres.

Dans le premier chapitre, on analysera plus prcisment le contexte actuel afin dy situer le contrle actif dcoulement. Suivra une brve explication sur ce que lon entend par contrle dcoulement, avec des exemples concrets dj en service dans laronautique. On poursuivra en discutant les stratgies possibles pour le contrle et lapport potentiel des MEMS.

A partir du deuxime chapitre, on aborde le sujet des actionneurs, qui constituent une des briques principales de la mise en uvre dun systme de contrle actif. On regardera en particulier les solutions proposes pour le contrle de couche limite ou le contrle de dcollement, en mettant laccent sur les actionneurs fluidiques de type jet puls et jet synthtique. On fera ensuite un diagramme de performance de tous les actionneurs fluidiques sur certaines caractristiques afin de justifier notre choix de dvelopper des jets synthtiques micro-usins.

Dans le troisime chapitre, on prsentera le dimensionnement dune microvalve jet synthtique. Tout dabord, une tude analytique et des simulations sont ralises afin de prdire les performances du dispositif. Ensuite le choix du mode dactionnement et son dimensionnement sera effectu afin de fournir au dispositif la force ncessaire lobtention des performances souhaites. On tablira ainsi le cahier des charges pour la conception et la fabrication du prototype.

Le quatrime chapitre exposera le procd de fabrication des dispositifs gnrateurs de microjets synthtiques slectionns pour rpondre au cahier des charges fix dans le chapitre trois. On prsentera ensuite la caractrisation complte de ces dispositifs. Une comparaison avec ltat de lart permettra de situer nos dispositifs par rapport ceux publis dans la littrature.

- 4 -

Enfin, un cinquime et dernier chapitre sintressera aux microcapteurs, qui constituent un autre lment important pour laboutissement des systmes de contrle actif. Tout dabord on prsentera les principaux exemples de microcapteurs, en mettant laccent sur les microcapteurs thermiques de type fils chauds. Suivra une tude sur une multicouche mtallique optimise pour lutilisation en tant qulment sensible de capteur fil chaud. On finira par la description du design et de la fabrication dun prototype de microcapteur thermique de type fil chaud orient vers la mesure de vitesse en coulement submillimtrique.

Chapitre 1 Gnralits

___________________________________________________________________________

- 5 -

Chapitre 1

Gnralits

Introduction Le monde des transports est en qute dinnovations pour sadapter aux volutions du march et de la socit en gnral. Le contrle des coulements proximit des parois dun vhicule en mouvement est une technique qui apporte des solutions plusieurs problmes. Dans le cas dun avion, son utilisation permet dapporter des gains en termes de performance (diminution des distances de dcollage et atterrissage, rduction de la traine) dbouchant sur une diminution de la consommation ainsi quune rduction du bruit gnr et une rduction des missions de gaz effet de serre. Dans les pages qui suivent, on analysera de plus prs le contexte afin dy situer plus prcisment le rle du contrle dcoulement. On poursuivra avec une prsentation des principes du contrle dcoulement. Des exemples actuellement en service ainsi quune exposition des stratgies dutilisation de contrle actif seront donns. On finira en discutant de lintrt des MEMS pour le contrle actif dcoulement.

Chapitre 1 Gnralits

___________________________________________________________________________

- 6 -

1 Contexte actuel et volution

1.1 Introduction

Lvolution du transport aronautique est lie lvolution du march aronautique lui-mme. Mais aujourdhui dautres facteurs sont prendre en compte. La proccupation concernant limpact de lhomme sur lenvironnement est devenue un point majeur dans toute rflexion sur lvolution dun secteur quelconque de notre socit. Le monde de laronautique nen est pas une exception.

Lobjectif des paragraphes qui suivent est de prsenter la situation actuelle pour placer notre sujet dans le contexte. On parlera brivement des volutions du march du transport arien ainsi que des considrations environnementales actuelles. On dbouchera alors sur un document qui regroupe les ambitions de la communaut aronautique pour le futur proche. On finira par situer le contrle dcoulement dans ce plan dvolution.

1.2 Evolution du march du transport aronautique

Etat actuel

Le transport aronautique est devenu un lment cl de notre socit. La mobilit quelle nous apporte est indniable. Passagers et marchandises peuvent parcourir des grandes distances en temps rduit, indpendamment des barrires gographiques. Pour illustrer limportance de ce

moyen de transport, jetons un coup dil aux volutions de ce march. Au niveau mondial, le nombre de passagers arotransports en vol international est

pass de 21,1 millions en 1947 2,2 milliards en 2007 [1]. De la mme faon, le transport de marchandises est pass de 2,5 milliards de TKT (tonnes par kilomtre transport) en 1960 140 TKT

en 2001 [1].

Figure 1.1 Evolution du trafic mondial de passagers [2]

Chapitre 1 Gnralits

___________________________________________________________________________

- 7 -

Si on regarde de plus prs lvolution du trafic de passagers de ces dernires annes (Cf. Figure 1.1), on constate que mis part les problmes qui suivent 2001 la tendance est toujours en hausse.

Estimations pour le futur Selon lIATA [3] (International Air Transportation Association) le nombre de passagers en vol international devrait augmenter avec un Taux de Croissance Annuelle Moyenne (TCAM) de 5,1 % entre 2007 et 2011. En ce qui concerne le nombre de passagers en vol intrieur, laugmentation prvue du TCAM pour la mme priode est de 5,3 %, mene surtout par la croissance de pays mergeants comme la Chine ou lInde. Quant au transport de marchandises, les prvisions pour la priode entre 2007 et 2011 prvoient un TCAM de 4.8 %. La demande dans le secteur du transport arien est donc toujours la hausse.

1.3 Considrations environnementales

Le protocole de Kyoto Le Sommet de la Terre Rio en 1992 a marqu un dbut de prise en compte de la part de la communaut internationale des effets de lHomme sur lenvironnement et plus particulirement sur les risques de changement climatique li aux missions de gaz effet de serre. Les tats les plus riches (ceux qui mettent les quantits plus importantes de ces gaz nuisibles) se sont engags stabiliser en 2000 leurs missions aux niveaux de 1990. La concrtisation lgale et quantitative de ces accords est ce qui constitue le Protocole de Kyoto [4]. Les gaz effet de serre concerns sont : le dioxyde de carbone (CO2), le mthane (CH4), les carbures halogns (HFC et PFC), les oxydes nitreux (NOx) et l'hexafluorure de soufre (SF6). Les pays dvelopps ou en transition vers une conomie de march (comme la Russie) ont accept globalement de rduire de -5,5 % leurs missions de gaz effet de serre sur la priode 2008-2012 par rapport au niveau de 1990. Parmi ces pays, les USA ont accept une rduction de 7 %, le Japon de 6 % et l'Union Europenne de 8 %. Pour lentre en vigueur du trait il fallait un minimum de 55 pays layant ratifi, dont les missions reprsentaient en 1990 au moins 55 % des missions totales de CO2. En novembre 2004, la Russie a ratifi son tour le Protocole de Kyoto, en permettant de ce fait son entre

Chapitre 1 Gnralits

___________________________________________________________________________

- 8 -

en vigueur. En revanche les USA, qui eux seuls mettent 30 35 % du total des gaz effet de serre d'origine humaine, ont dcid en 2001 de ne pas le ratifier. La mise en uvre effective est intervenue officiellement le 16 fvrier 2005.

Le Grenelle de lenvironnement Dun autre ct, la France a organis en juillet 2007 le Grenelle de lEnvironnement dans le but de crer des mesures concrtes en faveur dune politique environnementale [5]. En runissant des reprsentants de lEtat et de la socit civile, cet vnement visait la dfinition dune feuille de route en faveur de lcologie, du dveloppement et de lamnagement durables. Dans ce cadre, les acteurs franais du secteur arien ont sign en octobre 2007 une convention pour atteindre les objectifs fixs par le Grenelle [6]. Trois domaines majeurs ont t identifis, dont dcoulent trois points daction, montrs sur le tableau suivant :

Tableau 1.1 Extrait de la convention signe par les acteurs franais dans le cadre du Grenelle [6] Rduire de 50% dici 2020 les missions des nouveaux avions et poursuivre la modernisation des

flottes

la rduction des missions de CO2 et leur impact sur le changement climatique

la rduction des missions de NOx et leur impact sur la qualit de lair local

Amliorer la performance environnementale des aroports et des entreprises du secteur arien

la lutte contre les nuisances sonores

Rduire de moiti le bruit peru par les populations survoles en rgion parisienne et amliorer laide

linsonorisation des riverains

1.4 Une vision pour 2020

Toujours dans le raisonnement des amliorations qui peuvent tre apportes laronautique, la Commission Europenne a publi en 2001 un document rdig par un groupe de personnalits du monde de laronautique intitul Laronautique europenne : une vision pour 2020 [7]. Des rflexions se sont engages sur comment rendre nos dplacements plus performants et confortables, plus srs, moins coteux et plus propres. On se questionne aussi sur le poids que laronautique europenne aura au niveau mondial ainsi que sur le futur dun ciel unique europen (au niveau de la rglementation, de la scurit et de la gestion du trafic).

Chapitre 1 Gnralits

___________________________________________________________________________

- 9 -

Quatre thmatiques prpondrantes ont t identifies :

La qualit et lconomie: Offrir des services de qualit, performants et conomiques aux clients (compagnies ariennes, passagers, fret).

LEnvironnement: rpondre une demande toujours croissante en rduisant limpact environnemental des avions, ds leur conception jusqu leur limination.

Scurit: le transport arien, malgr laugmentation du trafic, sera toujours extrmement sr et lincidence des accidents sera la baisse.

Lefficacit du systme de transport arien : laugmentation du trafic nimpliquera pas une recrudescence de problmes comme la congestion ou les retards. Lefficacit du systme complet doit tre fortement augmente.

En ce qui concerne les missions de gaz effet de serre, la recherche aronautique sest fix des objectifs ambitieux pour 2020 avec le but de rduire les incidences environnementales des nouveaux avions:

Rduire la consommation de carburant et les missions CO2 de 50% par passager-km ;

Rduire les missions de NOx de 80% ; Rduire le bruit peru de 50%. Progresser dans la rduction de limpacte environnemental dans le cycle de vie dun

avion (conception, fabrication, maintenance, limination/recyclage).

De cette poque date la cration du Conseil Consultatif pour la Recherche Aronautique en Europe (ACARE) qui regroupe tous les acteurs du transport arien europen (tablissements de recherche, industriels, compagnies ariennes, aroports, tats membres de lUnion europenne, Commission europenne, Eurocontrol et tablissements rgulateurs). Dimportants programmes de recherche sont mis en place, avec notamment le programme Clean Sky [8]. Ce programme (2008-2014) situe ses ambitions mi parcours des objectifs ACARE, avec une rduction de 20 40% des missions de CO2, de 40% des NOx, et une rduction de 30 50% du bruit.

Chapitre 1 Gnralits

___________________________________________________________________________

- 10 -

1.5 Une solution prsente et future: le contrle dcoulement

On a vu dans les paragraphes prcdents un aperu des dfis qui attendent laronautique dans un futur proche. Dans la perspective dune demande toujours en hausse, on attend des avions plus conomiques, plus surs et confortables, moins gourmands en carburant, plus propres et moins bruyants. Lobjectif des lignes qui suivent est de situer le contrle dcoulement dans les volutions proposes par la communaut aronautique europenne en rapport aux objectifs fixs. Suite au rapport VISION 2020 [7], lACARE t charge de crer un agenda stratgique de la recherche (SRA en anglais) pour parvenir identifier les solutions existantes. La premire SRA a t rendue en octobre 2002 [9] et elle a repris les thmatiques du rapport [7] (Cf. Paragraphe 1.4). La question de la sret a t aussi ajoute. Des vnements comme le 11 Septembre 2001 ont fait merger limportance dun service arien ininterrompu et sr. La ncessit de trouver des mesures pour amliorer la sret dans ce cadre trs divers et complexe a t donc incluse dans lagenda.

Pour situer le contrle dcoulements, on va sintresser au sujet concernant lenvironnement. La problmatique autour des proccupations environnementales a t divise en quatre segments, chacun avec des points qui contribuent son aboutissement (Cf. Tableau 1.2).

Tableau 1.2 Segments concernant les proccupations environnementales [9] Rduction des missions de CO2 Rduction des bruits externes

Lavion efficace Le moteur efficace

La ATM (Air Travel Managment) du futur Carburants alternatifs

Lavion silencieux

Le rotor du futur

Procdures de modration du bruit Gestion de limpact sur le voisinage

Rduction des NOx Fabrication, Maintenance et Elimination (FME)

respectueux de lenvironnement Le moteur propre FME vert

On va se centrer sur la rduction dmissions de CO2 (intimement lie la diminution de la consommation en carburant) et plus particulirement sur les rflexions autour dun avion plus efficace, tout en sachant quune solution visant rduire les missions de CO2 peut tre aussi bnfique au niveau des rductions de NOx ou du bruit extrieur.

Chapitre 1 Gnralits

___________________________________________________________________________

- 11 -

Le tableau 1.3 prsente une synthse des technologies listes capables de faire voluer les avions vers une diminution de consommation. Le contrle dcoulement entre dans le cadre des amliorations arodynamiques qui peuvent tre apportes.

Tableau 1.3 Synthse des technologies vers une diminution de la consommation de carburant [9]. But Rduction de 20 25 % de consommation (kg/place/Km)

Solution Amlioration arodynamique Rduction de poids

Nouveaux concepts davion Capacit dvolution des avions actuels

Cibles des

technologies

Ajouts en bouts daile/riblets Aile adaptative/cambrure variable Carlingue entirement composite Avion plus lectrique Dessin multidisciplinaire Optimisation des facteurs de scurit

Optimisation de lintgration de la carlingue/du moteur

Optimisation de la conception de la structure

Dessin intgr de lensemble aile-fuselage-queue Cockpit sans fentres/ cabine fentres virtuelles

Outils

technologiques

CFD amlior (Navier-Stokes 3D) Ecoulement naturel/ hybride laminaire Contrle dcoulement/ Systmes de soufflage Techniques plasma Nouveauts composites polymres Alliages lgers, titane

Nanotechnologies/ matriaux intelligents Nouvelles peintures

Composites matrice mtallique Mthodes de propagation des dgts

Outils exprimentaux amliors (soufflerie cryo, PIV, peinture sensible la pression) Amlioration des mthodes de test au sol et en vol

La deuxime SRA, apparue en octobre 2004 a allou des priorits pour les technologies considres. Dans le cas du contrle dcoulement, limpact concurrentiel devrait tre majeur, avec une estimation darriv maturit entre 2015 et 2020.

2 Solutions pour le contrle dcoulement

2.1 Introduction

Jusquici on a cherch placer le contrle dcoulement dans le contexte actuel sans entrer dans le dtail. Dans les pages qui suivent on verra plus concrtement ce quest le contrle dcoulement, ce quoi il sert et quelles sont les stratgies dutilisation de cette technique. On fera ensuite la diffrence entre contrle passif et contrle actif. Suivra un aperu des propositions faites dans la littrature pour le contrle actif du point de vue de lactionneur. On

Chapitre 1 Gnralits

___________________________________________________________________________

- 12 -

terminera par un aperu des moyens de caractrisation des coulements adapts aux mesures sur des microsystmes et intgrables sur un systme de contrle actif.

2.1.1 Quest-ce que le contrle dcoulement ? Le contrle dcoulement est une technique qui permet de manipuler un coulement (libre ou proximit dune paroi) laide de dispositifs (passifs ou actifs) pour y produire des changements favorables. Ces changements sont, par exemple au niveau de la couche limite, le retardement ou l'avancement dune transition laminaire/turbulent et la prvention du dcollement. Ces modifications sur lcoulement produisent des consquences favorables pour lutilisateur, comme par exemple la rduction de la traine, laugmentation de la portance, la rduction du bruit ou lamlioration du mlange dans la couche limite. On doit lorigine du contrle dcoulement Prandtl [10], qui en 1904 introduisit le concept de couche limite dun coulement autour dun obstacle solide. Il y donnait aussi une explication physique du phnomne de dcollement de la couche limite et il ft le premier proposer une solution pour permettre de favoriser lattachement la paroi dun coulement dcoll.

2.1.2 O agit le contrle dcoulement ? Exemples commerciaux de contrle

On a dit prcdemment que le contrle dcoulement vise intervenir sur lcoulement pour y produire des changements bnfiques. Le paragraphe qui suit explique les diffrents niveaux possibles auxquels on peut intervenir pour effectuer ce contrle. On progresse en termes dordre de grandeur dcroissant sur lchelle laquelle on agit. Pour chaque catgorie on donnera un exemple existant dans laronautique utilis commercialement de nos jours. Les informations concernant ces exemples proviennent principalement de la rfrence [11].

Agir grande chelle Le moyen dagir dans ce cas est de modifier la gomtrie de laile suivant les caractristiques de lcoulement pour sadapter aux besoins dune situation concrte.

Chapitre 1 Gnralits

___________________________________________________________________________

- 13 -

Exemple : les dispositifs hypersustentateurs

Lobjectif des dispositifs hypersustentateurs est damliorer la portance et dempcher le dcrochage dans les phases de vol basse vitesse, c'est--dire les phases de dcollage et datterrissage. Lorigine de ces dispositifs remonte aux annes 1910-1920, et dcoule du travail de Handely Page (Grande Bretagne) et de G. V. Lachmann (Allemagne). Le principe est daugmenter la surface de laile et sa courbure (parfois aussi langle dattaque) pour apporter laugmentation de portance dsire. Leur utilisation est elle tout aussi rpandue dans lhistoire de laronautique : depuis les avions de la seconde Guerre mondiale (par exemple Messerschmidt Bf. 109 -becs automatique et volets-, P-47 Thunderbolt -volets-, P-51 Mustang -volets- ou B-29 Superfortress volets Fowler-) jusqu nos jours (par exemple Airbus A310 ou Boeing 747). On appelle bec ou slat en anglais le dispositif plac lavant de laile (bord dattaque) volet ou flap en anglais le dispositif larrire de laile (bord de fuite). Plusieurs configurations sont possibles, dont quelques exemples sont montrs sur la figure 1.2. La particularit des dispositifs ayant une fente entre le volet et le corps principal de laile rside en laction supplmentaire due lcoulement qui se cre. Cet coulement permet un apport dnergie la couche limite en retardant son dcollement. Les structures peuvent se combiner pour obtenir un meilleur rsultat. La figure 1.3 prsente un

diagramme illustrant les amliorations sur le coefficient de portance grce ces dispositifs ainsi que des exemples dutilisation sur des avions commerciaux.

Figure 1.2 Exemples de configurations

de dispositifs hypersustentateurs [11]

Chapitre 1 Gnralits

___________________________________________________________________________

- 14 -

Agir sur les structures tourbillonnaires autour de lobjet Cette stratgie vise agir sur des tourbillons concrets, souvent dus des singularits gomtriques, par exemple en introduisant des tourbillons inverses au point de singularit concern afin de rduire les effets des tourbillons dorigine.

Exemple : les winglets et les tourbillons de sillage dun avion Les winglets sont des dispositifs situs en bout de laile et ils sont utiliss pour rduire les effets des tourbillons de sillage qui se crent en ce point. Ces tourbillons sont gnrs cause du mouvement secondaire du fluide induit en bout daile d la diffrence de pression entre intrados et extrados. La rduction de cet effet permet de rduire la traine de sillage. La figure 1.4 prsente la structure des tourbillons de sillage ainsi que deux exemples de winglets dans des avions commerciaux.

Figure 1.3 GAUCHE HAUT : Effets des volets sur le coefficient de portance CL [12]. GAUCHE BAS : Image dun Boeing 747 avec volets triple fente et volets Krueger. DROITE : Image dun Airbus A300 avec volets Fowler et becs fente (photographies de Adrian Pingstone)

Figure 1.4 DE GAUCHE A DROITE: Tourbillons de sillage d'un avion [13] : winglet d'un Boeing 747-400 (Adrian Pingstone); Winglet d'un Airbus A319 (Dennis Nehrener)

Chapitre 1 Gnralits

___________________________________________________________________________

- 15 -

Agir sur le dcollement de lcoulement (contrle de dcollement) On a deux faons dagir sur le dcollement. On peut agir a priori en cherchant le prvenir (retardement du dcollement) ou a posteriori en visant recoller un coulement dj dtach. Dans le premier cas on peut agir par exemple en dclenchant la transition dans la couche limite en passant dune couche limite laminaire une couche limite turbulente (cette dernire tant moins sensible au dcollement). On peut aussi chercher agir sur des structures tourbillonnaires existantes dans la couche limite en amont du dcollement (amplification ou attnuation des structures existantes). Dans le deuxime cas, une fois lcoulement dtach on cherche acclrer ou faciliter le recollement, par exemple en introduisant de la quantit de mouvement dans la couche dcolle (en contribuant au mlange entre la couche limite dcolle et lcoulement libre).

Exemple : Vortex Gnrateurs (VG) mcaniques Les VG mcaniques se prsentent sous la forme de plaquettes disposes en biais par rapport lcoulement. Ces dispositifs permettent la gnration de tourbillons apportant une quantit de mouvement supplmentaire qui amliore le mlange entre lcoulement principal et la couche

limite. Cet apport supplmentaire permet de recoller la couche limite et dviter le dcrochage. La figure 1.5 illustre le principe de fonctionnement des VGs et en donne un exemple dutilisation.

Agir sur la couche limite pour rduire le frottement local (contrle de couche limite) Il y a deux faons de russir ceci. La premire est de maintenir la couche limite laminaire autour de laile en retardant la transition laminaire/turbulent. Cest ce quon appelle le contrle dcoulement laminaire ou Laminar Flow Control (LFC) en anglais. La deuxime est de rduire la contrainte paritale gnre par la couche limite turbulente en apportant des modifications locales des proprits de la paroi solide.

Figure 1.5 DE GAUCHE A DROITE: Principe de fonctionnement des VG [11]; Exemple de VG's sur les ailes d'un Airbus A340-600 [14]

Chapitre 1 Gnralits

___________________________________________________________________________

- 16 -

Exemple : Riblets ou effet peau de requin Les riblets appartiennent la deuxime catgorie mentionne auparavant. Ces dispositifs sont simplement une srie de sillons minuscules dans le sens de lcoulement qui forment un profil en dents de serre dans la direction transversale (Cf. Figure 1.6). On lappelle aussi effet peau de requin parce que ce type de structuration de paroi est retrouv dans la peau des requins [15].

Le modle commercial existant est faonn dans un film en polymre et commercialis par la marque 3M. Le principe de fonctionnement repose sur le fait que la structuration ordonne de la paroi interfre avec le dveloppement des structures tourbillonnaires dans la couche limite turbulente en les canalisant (Cf. Figure 1.6). Ces tourbillons sont la cause principale de la gnration de contrainte paritale dans une couche limite turbulente. Cette solution a t teste sur des vols commerciaux de A 340-600 de Cathay Pacific avec une rduction de la traine estime 2 3 %, ce qui quivaut une rduction de la consommation denviron 50000 litres de carburant par an [16]. Nanmoins, des considrations propos de la dgradation du revtement polymre et de son cot dentretien ont limit lapplication commerciale de cette solution et aujourdhui elle reste du domaine de lexprimentation contrairement au reste des exemples donns prcdemment.

2.2 Stratgies dutilisation du contrle dcoulement On a vu dans le paragraphe prcdent les niveaux auxquels peut intervenir le contrle dcoulement et des exemples correspondant des techniques implantes sur des avions commerciaux, exception faite du dernier exemple. Le tableau suivant donne un rsum des objectifs recherchs et des solutions principales explores pour les diffrentes phases de vol dun avion.

Figure 1.6 DE GAUCHE A DROITE: Principe de fonctionnement des riblets [11]; Agrandissement des riblets fabriqus par 3M [16]

Chapitre 1 Gnralits

___________________________________________________________________________

- 17 -

Tableau 1.4 Phases de vol: enjeux et solutions Phase de vol Caractristiques Objectifs Solution

Atterrissage

Dcollage

Portance leve

Vitesse faible Diminution du bruit Incrment de lincidence sans dcrochage Rduction de la distance Ncessaire

Contrle de dcollement (Incrment portance)

Croisire Trane faible Vitesse leve

Rduction de la Consommation

Contrle de couche limite (Rduction trane)

Les deux techniques qui suscitent le plus dintrt aujourdhui sont le contrle de dcollement et le contrle de couche limite. Le premier permettrait dapporter un incrment de la portance sur les phases de dcollage et datterrissage, en rduisant ainsi la distance ncessaire la ralisation de ces oprations. Le deuxime quant lui apporterait une rduction de traine dans la phase de vol de croisire, directement lie une rduction de la consommation de carburant.

On va maintenant donner une structure pour le contrle dcoulement par rapport sa stratgie dutilisation. Cette classification et sa nomenclature est propose par Mohamed Gad-el-Hak [17]. Les points cls sont la dpense nergtique pour sa mise en uvre et lutilisation ou non dune boucle de contrle. La figure 1.7 rsume en forme de diagramme les stratgies discutes dans les paragraphes qui suivent.

Stratgie de contrle

Passif Actif

Prdtermin Ractif

Boucle ouverte Boucle ferme

Stratgie de contrle

Passif Actif

Prdtermin Ractif

Boucle ouverte Boucle ferme

Figure 1.7 Diagramme: stratgies de contrle [17]

Chapitre 1 Gnralits

___________________________________________________________________________

- 18 -

2.2.1 Contrle passif Un systme de contrle passif est un systme qui ne requiert pas dapport nergtique externe pour fonctionner. Tous les exemples cits prcdemment sont des cas de contrle passif. Le problme principal de ces dispositifs est le suivant. Idalement, un schma de contrle doit parvenir avoir un effet bnfique moindre cot sans apporter des effets collatraux nuisibles. Or, cest le cas de la plupart des dispositifs passifs. Les VG mcaniques sont utiles pour retarder le dcrochage. Ce problme concerne les phases o langle dincidence est important, c'est--dire les phases datterrissage et de dcollage. En phase de croisire, non seulement ces dispositifs napportent aucun gain, mais ils gnrent de la trane supplmentaire. Cest encore plus problmatique pour les volets, do le fait quils soient dplis seulement lors des phases dapproche. Ceci rend les systmes hypersustentateurs complexes, qui de plus amnent une consommation dnergie importante et des cots de maintenance levs.

2.2.2 Contrle actif Le contrle actif ncessite un apport nergtique pour son fonctionnement. Les dispositifs pour le contrle actif sont donc des dispositifs quil faudra alimenter. On a vu prcdemment quen fonction de la phase de vol dans laquelle on se trouve les besoins sont diffrents. Les faons de contrler lcoulement ne sont donc pas les mmes. Lamlioration par rapport aux dispositifs passifs est que les dispositifs actifs ne fonctionnent que lorsquils sont aliments. On peut donc les allumer quand sur une phase de vol donne leur effet est dsir et les teindre en cas contraire. On peut diviser les stratgies de contrle actif comme suit :

Contrle actif prdtermin Dans ce cas le dispositif de contrle agit un moment donn sans suivre ltat de lcoulement. On na pas de lecture et donc pas de capteur dans le systme et la boucle est ouverte. Ceci correspond un schma de fonctionnement prsent sur la figure 1.8. La

premire proposition de contrle actif remonte Prandtl [10], qui suggrait dutiliser un systme daspiration pour viter le dtachement de la couche limite. Ce schma est le plus simple mettre en

uvre. Cest pour cela que cest le point de dpart pour tester lefficacit dun mode dactionnement

donn. De nombreuses expriences rpondant cette configuration ont t utilises pour

Figure 1.8 Contrle prdtermin [17]

Actionneur

Alimentation

ContrleActionneur

Alimentation

Contrle

Chapitre 1 Gnralits

___________________________________________________________________________

- 19 -

prouver lefficacit de dispositifs de contrle actif. Ces tudes servent aussi tablir des modles de comportement et tablir des fonctions de contrle pour le contrle ractif. Quelques exemples sont les tudes dAmitay et al. [18], Amitay et Glezer [19], Gillarranz et al. [20], Seifert et al. [21, 22, 23, 24], Melton et al. [25] et Hong [26] sur le contrle du dcollement autour dune aile, les tudes autour des aubes/palettes de turbines et compresseurs de Rediniotis et al [27], Bons et al. [28] et Zheng et al. [29] et le contrle de dcollement sur le corps dun hlicoptre de Ben-Hamou et al. [30]. Contrle ractif On parle de contrle ractif lorsque lon utilise des informations en provenance dlments capteurs pour rguler en continu le fonctionnement de lactionneur de contrle actif. Le grand intrt de cette stratgie rside sur lassociation de lactionnement du systme en fonction ltat de lcoulement : on agit uniquement quand cest ncessaire.

- Contrle ractif boucle ouverte Le diagramme de blocs de ce mode de fonctionnement est prsent dans la figure 1.9. La marche suivre pour ce systme est la suivante :

Les informations en provenance du capteur sont prises en gnral en amont de lactionneur

Ce signal est soumis une loi de contrle qui dclenche ou pas lactionnement

Lactionnement agit sur lcoulement en aval

Il ny a pas de retour sur les effets produits par lactionnement.

ContrleCapteur ActionneurMesure Dclencheur

Alimentation

ContrleCapteur ActionneurMesure Dclencheur

Alimentation

Capteur ActionneurMesure Dclencheur

Alimentation

Figure 1.9 Contrle ractif boucle ouverte [17] Les travaux de Breuer et al. [31] sur le contrle de couche limite turbulente pour la rduction de traine sont un bon exemple de systme ractif boucle ouverte ou feedforward en anglais. Notons que le systme de Breuer et al. a dj les capteurs ncessaires pour fermer la boucle.

- Contrle ractif boucle ferm

Chapitre 1 Gnralits

___________________________________________________________________________

- 20 -

Le diagramme bloc de ce mode de fonctionnement est prsent figure 1.10. Dans ce cas de figure, en plus des lments capteur (en aval) et actionneur, une rfrence (en amont) est ncessaire pour tablir une comparaison avec la mesure avant dagir sur lactionneur. Ce schma apporte un retour dinformation qui permet de graduer lactionnement pour obtenir un meilleur rsultat. Le systme peut agir aussi bien laide dune loi de contrle similaire celles utilises pour le contrle boucle ouverte, quavec un systme adaptatif. Cette loi de contrle est le point principal de ces systmes. Larticle de Moin et Bewley [32] donne une liste des tactiques de contrle dveloppes pour le contrle de turbulence.

Capteuramont Actionneur

Capteuraval

ComparateurMesure

Mesure

+

-

RgulateurRfrence

Correction

ContrleCapteuramont Actionneur

Capteuraval

ComparateurMesure

Mesure

+

-

RgulateurRfrence

Correction

Contrle

Figure 1.10 Contrle ractif boucle ferme [17] On citera maintenant quelques exemples. Les travaux de Washburn et Amitay [33] prsentent un systme ractif boucle ferme ou feedback en anglais test sur an UAV (Unmanned Air Vehicle). Tian et al. [34] et Allan et al. [35] montrent des exemples de contrle adaptatif de dcollement autour dune aile. Liu et al. [36] prsentent un exemple intressant de contrle de dcollement en boucle ferme dun modle rduit de Cessna 182. Cette tude va encore plus loin en posant les bases pour un systme de guidage de lavion laide du mme systme. Pour finir, des tudes numriques comme celles de Beaudoin et al. [37] et Alan et al. [38] posent des modles de fonction contrle pour optimiser le contrle ractif.

3 Intrt des MEMS pour le contrle actif Comme on la dit auparavant dans cette section, contrairement aux dispositifs passifs, les mthodes de contrle actif, qui ont besoin dun apport nergtique pour fonctionner, sont supposes sans effet quand le dispositif est teint (pas aliment). Pour que ceci soit vrifi, ces dispositifs pour le contrle actif ne doivent pas modifier la gomtrie globale ou ltat de surface de lendroit o ils sont implants (i. e. laile dans le cas dun avion). Dans le cas contraire des perturbations dans lcoulement se produiraient en entranant des effets adverses, comme dans le cas des vortex gnrateurs. Ceci implique un faible encombrement. De plus, les deux solutions de contrle les plus intressantes, savoir le contrle de couche limite et le contrle de dcollement, agissent des chelles o les ordres de grandeur des structures sur lesquelles on veut produire un effet sont de lordre du millimtre voir

Chapitre 1 Gnralits

___________________________________________________________________________

- 21 -

submillimtrique. Ceci veut dire que les moyens dactionnement utiliss doivent tre du mme ordre de grandeur. Les MEMS (Micro Electro Mechanical Systems) apportent des rponses aux problmes noncs, savoir un faible encombrement et une adaptation dchelle convenable pour les problmes de contrle de dcollement et de couche limite. Ces systmes sont de taille rduite ce qui permet un actionnement trs localis mais aussi des prises dinformation laide de microcapteurs avec une rsolution spatiale amliore par rapport aux lments capteurs conventionnels. Grce au fait que les technologies MEMS permettent dobtenir des microcapteurs et microactionneurs intgrs avec des court temps de rponse il est possible dtablir un systme de control ractif boucle ouverte ou ferme laide de la gestion informatique. De plus, leurs techniques dusinage collectif et leur faible consommation contribuent amliorer leur rendement dans les applications de contrle, o lenjeu est de maximiser la relation entre le gain apport par le contrle et les divers cots (fabrication, consommation, encombrement) quil reprsente. Cette relation illustre finalement la capacit dune technique dtre applicable au niveau commercial. Il faut que ce bilan soit suffisamment positif pour envisager lvolution vers des systmes applicables aux avions commerciaux.

4 Conclusions Dans le contexte prsent dans ce chapitre, on voit que lintrt pour le contrle dcoulements est aujourdhui principalement focalis sur ltude du contrle de dcollement et du contrle de couche limite, par lutilisation de systmes de contrle ractif, associant capteurs et actionneurs pour un rglage continu du contrle. Pour aboutir de tels systmes, les MEMS se prsentent comme des candidats idaux grce leur faible encombrement, leur adaptation aux chelles en jeu et leur capacit fournir un actionnement localis. De plus, les MEMS prsentent un intrt non seulement pour lactionnement mais ils ont aussi du potentiel pour fournir des microcapteurs avec une bonne rsolution spatiale. Cest en suivant ce constat que les travaux prsents dans cette thse se centrent sur les MEMS pour le contrle actif dcoulements. Dans le chapitre suivant, on se concentre sur ltat de lart concernant les actionneurs pour des systmes de contrle actif dcoulements.

Chapitre 1 Gnralits

___________________________________________________________________________

- 22 -

Rfrences bibliographiques

[1] Aroports de Paris, Document de rfrence 2007, chap. 6 Aperu des activits, p. 37-117, ADP, 2007. Disponible sur Internet: http://www.aeroportsdeparis.fr/ExpFiles/ADP-DDR2007-280408.pdf [2] Airports Council International (ACI), ACI Information Brief, ACI, juillet 2008. Disponible sur Internet : http://www.aci.aero/aci/aci/file/Press%20Releases/2008/Interesting%20Stats_2007.pdf [3] International Air Transportation Association (IATA), IATA economic briefing: passenger and freight forecasts 2007 to 2011, IATA, octobre 2007, Disponible sur Internet: http://www.iata.org/NR/rdonlyres/E0EEDB73-EA00-494E-9408-2B83AFF33A7D/0/traffic_forecast_2007_2011.pdf [4] Direction Gnrale de lEnergie et de Matires Premires (DGEMP), La mise en uvre du protocole de Kyoto, Ministre de lconomie, des finances et de lindustrie, DGEMP, juillet 2005, Disponible sur Internet : http://www.industrie.gouv.fr/energie/developp/serre/textes/se_kyoto.htm [5] Site internet du Grenelle de lEnvironnement : http://www.legrenelle-environnement.fr/grenelle-environnement/

[6] Ministre de lEcologie, du Dveloppent et de lAmnagement durable, Le Grenelle Environnement : Jean-Louis Borloo signe la premire convention engageant lensemble des acteurs du secteur arien franais, Dossier de presse, janvier 2008, Disponible sur Internet : http://www.developpement-durable.gouv.fr/IMG/pdf/DossierpresseConventionavion_cle5e88ce.pdf [7] P Argelles, M Bischoff, P Busquin et al. European aeronautics: A vision for 2020, Luxembourg (Office de Publications Officielles de la Communaut Europenne), 2001. Disponible sur Internet: http://ec.europa.eu/research/growth/aeronautics2020/pdf/aeronautics2020_en.pdf [8] Site internet du programme Clean Sky: http://www.cleansky.eu/index.php?arbo_id=35 [9] Site internet de lACARE, rubrique Strategic Research Agenda: http://www.acare4europe.org/

[10] L Prandtl, ber flssigkeitsbewegung bei sehr kleiner reibung, Proceedings of the 3rd International Mathematical Congress, Leipzig, p. 481-491(1904). [11] E L Houghton, P W Carpenter, Aerodynamis for engineering students, Butterworth-Heinemann, 2003, ISBN 0750651113, 9780750651110.

Chapitre 1 Gnralits

___________________________________________________________________________

- 23 -

[12] Site internet de la socit Zenith Aircraft Company, rubrique Design and construction college: http://www.zenithair.com/

[13] Site internet du Ministre canadien des transports, rubrique centre de dveloppent du transport: http://www.tc.gc.ca/TDC/projects/air/g/9051.htm [14] Site internet de la socit Airbus, rubrique bibliothque multimdia: www.airbus.com [15] D W Bechert, G Hoppe, W E Reif, On the drag reduction of the shark skin, AIAA paper 85-0546 (1985). [16] K Ikeda, Trends in research on turbulence control aiming at reducing friction drag, Science and technology trends n. 22, p. 98-106, janvier 2007. [17] M Gad-el-Hak, Modern developments in flow control, Applied mechanics reviews vol. 49, p. 365-379 (1996). [18] A Glezer, M Amitay, A M Honohan, Aspects of low-and high-frequency actuation for aerodynamic control, AIAA Journal, Vol. 43, No. 7, p. 1501-1511 (2005). [19] M Amitay, A Glezer, Flow transients induced on a 2D airfoil by pulse-modulated actuation, Experiments in Fluids vol. 40, pp. 329331(2006). [20] J L Gilarranz, L Traub, O K Rediniotis, A New Class of Synthetic Jet ActuatorsPart II: Application to flow separation control, Journal of Fluids Engineering, Vol. 127 377-387 (2005). [21] A Seifert, L G Pack, Oscillatory Excitation of Unsteady Compressible Flows over Airfoils at Flight Reynolds Numbers, 37th AIAA Aerospace Sciences Meeting and Exhibit 01/99 Reno, paper AIAA 99-0925. [22] A Seifert, T Bachar, D Koss, M Shepshelovich, I Wygnanski, Oscillatory blowing: a tool to delay boundary-layer separation, AIAA Journal, Vol. 31, No. 11, p. 2052-2060 (1993). [23] A Seifert, A Darabi, I Wygnanski, Delay of airfoil stall by periodic excitation, Journal of aircrafit, Vol. 33, No. 4, p. 691-698, (1996). [24] A Seifert, S Eliahu, D Greenblattet I Wygnanski, Use of piezoelectric actuators for airfoil separation control, Technical notes, AIAA Journal, Vol. 36, No. 8, p.1535-1537 (1998). [25] L P Melton, C-S Yao, A Seifert, Active control of separation from the flap of a supercritical airfoil, AIAA Journal, Vol. 44, No. 1, p. 34-41 (2006). [26] G Hong, Effectiveness of micro synthetic jet actuator enhanced by flow instability in controlling laminar separation caused by adverse pressure gradient, Sensors and actuators A 132, p. 607-615 (2006).

Chapitre 1 Gnralits

___________________________________________________________________________

- 24 -

[27] J L Gilarranz, L W Traub, O K Rediniotis, An active flap deployment system for bladeDisturbance interaction alleviation, Journal of Fluids Engineering, Vol. 126 1006-1014, (2004). [28] J P Bons, R Sondergaard, R B Rivir, The fluid dynamics of LPT blade separation control using pulsed jets, Journal of Turbomachinery, v. 124, p.77-85 (2002). [29] X Zheng, S Zhou, A Hou, Z Jiang, D Ling, Separation control using synthetic vortex generator jets in axial compressor cascade, Acta Mecanica Sinica Vol. 22, n.6, p. 521-527 (2006). [30] E Ben-Hamou, E Arad, A Seifert, " Generic transport aft-body drag reduction using active flow control", Flow turbulence combustion 78, p. 365 -382 (2007). [31] R Rathnasingham, K S Breuer, Active control of turbulent boundary layers, Journal of fluid mechanics, v.495, p. 209-233 (2003). [32] P Moin, T Bewley, Feedback control of turbulence, Applied mechanics review, Vol. 47, n. 6 (2004). [33] A E Washburn, M Amitay, Active Flow Control on the Stingray UAV: Physical Mechanisms, 42nd AIAA Aerospace Sciences Meeting & Exhibit (2004), article AIAA 2004-0745. [34] Y Tian, L N Cattafesta, R Mittal, Adaptive Control of Separated Flow, 44th AIAA Aerospace Sciences Meeting and Exhibit, 9 - 12 January 2006, AIAA 2006-1401. [35] B G Allan, J-N Juang, D L Raney, A Seifert, L G Pack, D E Brown, Closed-loop separation control using oscillatory flow excitation, NASA/CR-2000-210324, ICASE Report

n. 2000-32. [36] Y Liu, M Ciuryla, M Amitay, C Kwan, J H Myatt, X Zhang, Z Ren, J P Casey, Integrated flight control and flow control using synthetic jet arrays, AIAA Guidance, Navigation and control conference, 08/06, Article AIAA-2006-6190. [37] J-F Beaudoin, O Cadot , J-L Aider, J E Wesfreid, Drag reduction of a bluff body using adaptive control methods, Physics of fluids vol.18, art. 085107 (2006). [38] M-R Alam, W Liu, G Haller, Closed-loop separation control: An analytic approach, Physics of fluids 18, art.043601 (2006).

Chapitre 2 Actionneurs : Etat de lart

___________________________________________________________________________

- 25 -

Chapitre 2

Actionneurs : Etat de lart

Introduction Afin de rendre les systmes de contrle actif dcoulements ralisables, il faut adapter les outils de prise dinformations (capteurs) et les moyens dagir sur lcoulement (actionneurs) aux chelles caractristiques des phnomnes. Pour les applications aronautiques, ces chelles sont de lordre du millimtre, voir submillimtriques. Les MEMS donnent une rponse ce besoin de miniaturisation. On tudiera dans les pages qui suivent les solutions proposes tant pour le contrle de couche limite que pour le contrle de dcollement avec des types dactionneurs diffrents pour chaque solution. Afin de montrer la souplesse dapplication de ces actionneurs, on montrera des exemples dutilisation dactionneurs de type jet synthtique conus pour le contrle dautres types dapplications.


___________________________________________________________________________

- 26 -

1 Actionneurs pour le contrle actif dcoulement Dans le premier chapitre nous nous sommes contents de parler de systmes de contrle actif en globalit, sans prter attention aux moyens mis en uvre pour effectuer ce contrle. Autrement dit, nous navons pas approfondi les aspects lis aux actionneurs et/ou capteurs utiliss pour arriver au but. Dans les pages qui suivent nous prsentons un tat de lart des actionneurs proposs dans la littrature pour le contrle actif, en regardant successivement les actionneurs modificateurs de gomtries, les actionneurs fluidiques de type pulss et galement ceux de type jet synthtique, ces deux derniers types tant plus spcifiquement dans nos centres dintrt. On regardera ensuite les applications autres que le contrle dcoulement de ces derniers.

1.1 Actionneurs modificateurs gomtriques pour le contrle de couche limite Le principe gnral de ces actionneurs est laction sur les structures tourbillonnaires prsentes dans la couche limite turbulente, responsables en grande partie de la contrainte paritale, principale contribution du coefficient de frottement local. La rduction du frottement local aboutit une rduction de la trane globale. Ceci sinscrit dans le cadre du contrle de couche limite.

Lchelle de ces structures tourbillonnaires tant de lordre du millimtre, des actionneurs MEMS adapts ces chelles se sont dvelopps. Les exemples les plus remarquables sont ceux raliss par lquipe du professeur Chih-Ming Ho de lUniversit de Californie. Deux actionneurs diffrents ont t mis en uvre, dont le principe est lloignement des tourbillons par rapport la paroi en injectant de la quantit de mouvement (Cf. Figure 2.1). Un travail a t fait en plus pour lintgration de capteurs de frottement afin de pouvoir tablir un contrle adaptatif.

Un premier prototype consiste utiliser des micro-volets pour carter les tourbillons de la surface [1]. Le volet (Cf. Figure 2.1) fait 8 mm, et lactionnement est lectromagntique.


___________________________________________________________________________

- 27 -

Figure 2.1 Micro-volet pour le contrle de couche limite [1] La structure est compose par une surface constituant le volet en silicium. Sur cette surface on trouve une microbobine et un noyau de Ni Fe lectrolys afin de concentrer le champ magntique de la bobine. La surface est relie au substrat par des poutres (cantilevers) en polysilicium, qui permettent un grand dbattement angulaire. Lactionnement se ralise par couplage avec un aimant permanent situ dans la face arrire. Les dplacements maximaux obtenus sont de lordre du millimtre. Des premiers rsultats montrent une rduction potentielle de 10% sur le coefficient de traine. Le problme de ces structures est sa fragilit. En effet, les structures sarrachent quand la vitesse de lcoulement extrieur dpasse quelques dizaines de m/s. Un deuxime exemple, toujours dans lquipe de Chih-Ming Ho est lutilisation dun systme de ballons en silicone de taille millimtrique, qui sont gonfls laide dune pression extrieure [2]. Les ballons font 3 mm de largeur et peuvent se gonfler en dpassant dun millimtre sans subir de dformation plastique irrversible (Cf. Figure 2.2).

Figure 2.2 Actionneurs ballons pour le contrle de couche limite [2] Malgr des dplacements intressants, la frquence dactionnement est malheureusement trop faible (


___________________________________________________________________________

- 28 -

Le dernier exemple en provenance de lquipe de Chih Ming Ho [3] est une nouvelle gnration de micro-volet en silicium actionn par le gonflement dune membrane en silicone (Cf. Figure 2.3).

Ce nouvel actionneur permet une dflexion de lordre de 130 m, peut se maintenir relev si ncessaire et peut tre actionn jusqu 150 Hz. Des tests en soufflerie avec une vitesse dcoulement de 10m/s montrent une rduction du frottement de 4 % pour un actionnement 50 Hz donnant 100m de dflexion. Le systme intgre deux sries de capteurs : une en amont et une en aval, ce qui constitue une avance vers un systme ractif boucle ferme laide dun rseau neuronal.

Un autre exemple intressant de contrle de couche limite est celui men par Yamagami et al. [4] lUniversit de Tokyo. Le systme, intgrant des capteurs, est compos dune srie de poutres de 7mm encastres des deux cts laide de joints en polyimide (Cf. Figure 2.4). Lactionnement est lectromagntique. Les poutres disposent dune bobine en face arrire. Lactionnement lectromagntique, en couplant le champ cr par la bobine avec un aimant permanent, est utilis pour mettre les poutres en rsonance. On utilise le premier mode de torsion environ 500Hz. Langle obtenu est denviron 12, ce qui correspond une dflexion de 90m (Cf. Figure 2.4 (d)). La consommation dune poutre nexcde pas les 50mW. Lavance de ces travaux repose sur lintgration, non seulement des capteurs dans la matrice, mais aussi de llectronique intgre pour le contrleur afin dobtenir un systme complet de contrle ractif.

Figure 2.3 Deuxime gnration de flaps. GAUCHE: Chip avec capteurs intgrs. DROITE: Architecture de l'actionneur [3]

Poutre en silicium

Membrane


___________________________________________________________________________

- 29 -

Le principal inconvnient des propositions pour le contrle de couche limite est que, bien queffectives dans la rduction de la traine sur des applications localiss en laboratoire, leur utilisation dans un avion taille relle de faon industrielle impliquerait la couverture intgrale des surfaces traiter. Actuellement, ces microsystmes prsentent les inconvnients suivants :

Fragilit : Comme on la dj mentionn, la plupart des actionneurs micro-volets sarrachent quand la vitesse extrieure est suprieure quelques dizaines de m/s.

Fiabilit : A lexception faite des ballons en silicone, qui ont t soumis des tests en conditions relles sur les ailes dun F-15, on ne peut pas rpondre de la fiabilit des dispositifs. Les tests ont t raliss dans des conditions de laboratoire.

Cot : La ncessit de grandes quantits dactionneurs pour couvrir les surfaces traiter engendre deux problmes par rapport au cot du systme. Tout dabord, le poids ajout par les actionneurs qui risque de mettre en cause leur effectivit. Dun autre ct, la complication (et donc laugmentation du cot) de la maintenance pour un systme aussi complexe.

Figure 2.4 Systme intgr de contrle de couche limite [4]. (a) Schma (b) Dtail des poutres et des bobines (c) dtails des lments capteurs (d) principe de fonctionnement

(a)

(b) (c)

(d)


___________________________________________________________________________

- 30 -

1.2 Actionneurs oscillatoires pour le contrle de dcollement La premire solution pour recoller un coulement dtach la paroi a t donne par Prandtl [5]. Il prconisait lutilisation dun systme daspiration prs du front de dcollement. La couche limite rsultante est revigore, capable de poursuivre plus loin sur la surface contre le gradient de pression adverse sans se sparer (Cf. Figure 2.5).

Figure 2.5 Aspiration de couche limite [6]

Une autre faon dagir sur la couche limite prs du dcollement est dajouter de lnergie au systme au moyen du soufflage en continu, en amliorant ainsi le mlange. Les premiers travaux ce sujet ont t introduits par Wallis et al. en 1952 [7]. Lutilit des actionneurs oscillatoires est surgie avec les travaux de Seifert et al. en 1993 [8] et Mc Manus et al. en 1994 [9]. Dans les deux cas, on tudie lutilisation de jets non plus continus mais prsentant une composante oscillatoire pour retarder le dcollement, voire le recoller la paroi. La diffrence est que le premier utilise un jet oscillatoire dont la moyenne en termes de dbit massique sur une priode et donc linjection de masse au systme est nulle. Ce type de jets a t appel jet synthtique ou actionneur ZNMF (Zero Net Mass Flux). Le deuxime utilise un jet qui oscille entre le soufflage ou lobturation. La moyenne du dbit massique sur une priode nest plus nulle et il existe un apport massique au systme. Cest ce que lon appelle un jet puls. La figure 2.6 illustre cette diffrence.


___________________________________________________________________________

- 31 -

Figure 2.6 Schmatique illustrant la diffrence entre jet continu, jet synthtique et jet puls (de gauche droite)

On appelle parfois aussi ce type de dispositifs des vortex gnrateurs fluides ou VGF par analogie avec le fonctionnement des vortex gnrateurs mcaniques dcrits auparavant (Cf. Chapitre 1, Paragraphe 2.1.2). On regardera dabord les exemples de dispositifs gnrateurs de jets pulss pour passer ensuite aux gnrateurs de jets synthtiques.

1.2.1 Jets pulss Quelques tudes de contrle actif laide de jets pulss utilisent des valves solnode macroscopiques [10, 11]. Le fonctionnement dune valve solnode (Cf. Figure 2.7) repose sur linteraction lectromagntique dun noyau en ferrite et une bobine. Cette interaction entrane le mouvement dun piston qui va obstruer et ouvrir alternativement le canal.

Les inconvnients de ces actionneurs sont leur long temps de rponse et leur encombrement. Ces caractristiques rduisent leur utilisation des expriences en laboratoire, mais pour les tudes sur la comprhension des phnomnes physiques cest une solution simple implmenter.

Figure 2.7 Architecture d'une valve solnode

Ancrage

Bobine Ressort

Noyau Piston Sortie Entre


___________________________________________________________________________

- 32 -

Nous nous intressons maintenant des exemples de dispositifs gnrateurs de jets pulss MEMS. Un premier exemple est celui ralis par la socit FLOWDIT [12] qui commercialise une solution MEMS pour les jets pulss. Lactionnement de la valve guillotine de type lectrostatique est mis en uvre laide de peignes interdigits (Cf. Figure 2.8). La sortie a une section de 600X1800 m. Les vitesses de sortie vont jusqu 25 m/s pour une frquence de 90Hz.

A noter que ces dispositifs ont t inclus dans le concept car de chez Citron C-SportLounge. Positionns larrire du toit et combins avec un aileron mobile, les essais ont mesur un coefficient de trane Cx de 0,26 pour des vitesses de 90 Km/h.

Un deuxime exemple de valve jet puls est celui propos par Frutos et al. [13] du Laboratoire FEMTO de lUniversit de Besanon, baptis actionneur Zip. Lactionnement est de type lectrostatique et se fait laide dun ruban flexible qui se dplace entre deux lectrodes planaires (Cf. Figure 2.9).

Figure 2.9 GAUCHE: Architecture du dispositif. DROITE: Vecteur contenant 15 dispositifs [13]

Figure 2.8 GAUCHE: ralisation de la valve lectrostatique DROITE: concept car citron C-SportLounge [12]


___________________________________________________________________________

- 33 -

Le dispositif de test, contenant 15 actionneurs, fait 6,5 x 1,3 x 0,36 cm3 avec une cavit commune de 305 mm3 (Cf. Figure 2.9). Les orifices ont un diamtre de 400m et un angle de 45. Des tensions jusqu 1000 V peuvent tre appliques. Des tests en continu pour une pression applique de 27 kPa donnent des vitesses suprieures aux 100 m/s. Dans ces conditions la fermeture / ouverture des orifices en quasi statique est garantie par lactionneur zip. Des tests en actionnant le dispositif en mode puls ont t raliss avec une pression de 5 kPa pour des frquences entre 0 et 250 Hz en obtenant des vitesses de lordre de 15 m/s.

Une autre solution est celle propose par C. Warsop et al. [14] de BAE Systems. Le principe de fonctionnement de cette valve repose sur lobturation squentielle dun orifice laide dune poutre bimorphe pizolectrique de type PZT.

Sur la gauche de la figure 2.10 on peut voir larchitecture de la valve. Le dplacement important de la poutre (80m), associe aux dimensions rduites de lorifice de sortie (200m) permettent un actionnement puls atteignant des vitesses maximales de lordre de 100 300 m/s pour des frquences jusqu 1KHz, avec une consommation denviron 50mW.

Pour finir avec les actionneurs de type jet puls, on prsente ici la solution propose par O. Ducloux et al. [15, 16, 17, 18 19 et 20] lInstitut dElectronique, Microlectronique et Nanotechnologie (IEMN/LEMAC) situ Lille. Lorigine du jet puls rpond cette fois un pincement dun canal qui bloque de faon alternative le passage du fluide. Larchitecture de la valve (Cf. Figure 2.11) est entirement ralise en silicium et se compose dun canal muni dune srie dobstacles, que lon appellera des murs, et dune membrane flexible quipe dun ilot en silicium pour venir obstruer le canal.

Figure 2.10 GAUCHE: architecture de la valve DROITE: ralisation du dispositif [47].


___________________________________________________________________________

- 34 -

Loriginalit de ces travaux repose sur la capacit dactionner de deux faons diffrentes le dispositif, ce qui permet dadresser des plages frquentielles diffrentes. Le premier actionnement est de type lectromagntique et sappuie sur lutilisation du couplage entre un aimant positionn sur lilot et une bobine positionne au dessus de laimant.

Dans cette configuration, des vitesses de lordre de 100 m/s 150 m/s et plus sont obtenues sur une plage frquentielle de 150 Hz 700 Hz environ (Cf. Figure 2.12). Le courant type circulant dans la bobine est de 300mA 500 mA.

Le deuxime mode dactionnement est plus haute frquence (1kHz 2,7 kHz) et la nouveaut est quil repose sur un couplage fluide-structure entre lcoulement dans le canal et la membrane en raison de la prsence des murs internes. Avec une variation de la pression lentre du dispositif on peut faire apparatre une auto-oscillation de la membrane qui gnre louverture et la fermeture dynamique de la valve haute frquence. Cet actionnement ne ncessite pas dnergie supplmentaire pour le contrle de la valve autre que lalimentation en fluide (Cf. Figure 2.13). Des vitesses atteignant les 100 m/s sont obtenues avec ce mode dactionnement.

Figure 2.11 GAUCHE: Architecture de la valve DROITE: Ralisation du dispositif [17].

Figure 2.12 Actionnement magntostatique [16]


___________________________________________________________________________

- 35 -

Les microvalves de lIEMN/LEMAC ont t assembles en rseaux dune dizaine une trentaine de valves et intgres sur diffrentes maquettes pour essais en souffleries dans le cadre de partenariats troits avec les industriels de laronautique franaise et europenne. Les essais, tous couronns de succs, ont montr que ces technologies permettent un contrle effectif de dcollement sur aile davion, entres dair et manches air coudes, et dcollements modles [18,19 et 20]. La figure 2.14 montre les rsultats dun de ces essais, avec un rseau de 8 microvalves qui t test dans une soufflerie de lONERA Lille dans le cadre dune exprience de contrle de dcollement. La vitesse maximale de la soufflerie est de 31 m/s. La couche limite (d0=1.5 cm) est turbulente et a un nombre de Reynolds Red0 denviron 4000 lendroit ou les actionneurs sont placs. La sparation entre les sorties des actionneurs est de d0, et ils sont orients de 45 par rapport la surface djection et de 45 par rapport la direction de lcoulement dans la soufflerie.

Figure 2.14 De haut en bas : Rseau de 8 microvalves avec leurs bobines dactionnement et connectique fluidique. Champ de vitesse longitudinale obtenue par PIV sur le plan de symtrie sans contrle. Champ

de vitesse longitudinale dans le cas contrl.

Figure 2.13 Actionnement par auto-oscillation GAUCHE : description du mouvement oscillatoire DROITE : performances de la valve [15].


___________________________________________________________________________

- 36 -

On peut observer la diminution du bulbe de sparation dans les cas contrl, correspondant une frquence dactionnement de 70 Hz pour une vitesse maximale des jets de 60 m/s.

1.2.2 Jets synthtiques Un jet synthtique est gnr par les interactions dune srie de vortex. Ces structures tourbillonnaires sont cres leur tour par une alternance djection et daspiration de fluide travers un orifice. Comme on la dit prcdemment, ils doivent leur nom au fait que le dbit massique rsultant sur une priode (aspiration/jection) est nul. Ceci veut dire que ces jets sont forms sans apport extrieur de fluide, et ils peuvent donc injecter de la quantit de mouvement au systme sans apport net de masse.

La structure dun gnrateur de jets synthtiques (Cf. Figure 2.15) est compose de trois lments basiques:

Une cavit de volume V

Un orifice de sortie

Une paroi mobile

La mise en mouvement de la paroi mobile entraine une variation de volume dans la cavit. Sur un mouvement oscillatoire, on peut diviser la progression en deux demi-priodes (Cf. Figure 2.16). Quand la variation de volume est positive lair est entrain lintrieur de la cavit, et quand elle est ngative lair est expuls de la cavit en crant un tourbillon.

Figure 2.15 Schma gnral d'un jet synthtique

Figure 2.16 GAUCHE: Demi-priode d'aspiration DROITE: demi-priode d'expulsion


___________________________________________________________________________

- 37 -

Si lorifice est circulaire on parle de jet synthtique axisymtrique ; si la gomtrie de lorifice correspond une fente rectangulaire on parle alors de jet synthtique 2D. Cette nomenclature vient du fait que la gomtrie du vortex gnr dans le premier cas est annulaire, tandis que pour le deuxime c est une paire de vortex qui est forme. Le grand avantage de ces dispositifs en comparaison avec les gnrateurs de jets pulss est labsence de connexions fluidiques. En effet, ces dispositifs ne ncessitent pas darriv de fluide. Les jets synthtiques peuvent tre actionns sur un vaste domaine de frquences et leur taille est tout aussi flexible. Ceci fait de ces dispositifs des actionneurs trs attractifs pour grand nombre dapplications.

Dispositifs macroscopiques

Divers moyens pour gnrer les variations de volume ont t utiliss. Un exemple est lutilisation dun piston actionn par un moteur. Gillarranz et al. [21] de lUniversit du Texas A&M ont ainsi fabriqu des dispositifs gnrateurs de jets synthtiques 2D dont la configuration est prsente sur la figure 2.17. La cavit fait 1,01 x 2,54 x 6,35 cm3, le diamtre du piston est 2,3 cm et la variation de volume entraine est de 8,56 cm3. Les performances de cet actionneur jet synthtique atteignent les 80m/s 250 Hz pour une fente de sortie de 7,62 x 0,08 cm et une puissance fournie au moteur de 325W.

A part les tests sur un dispositif isol, un systme de 6 jets synthtiques actionns ensemble laide de deux moteurs a t mis en place pour raliser des tests de contrle de dcollement sur un profil daile davion NACA 15. Dans cette configuration, la vitesse maximale atteinte est de 80 m/s 120 Hz pour une fente de 1,2 mm de largeur et une puissance fournie de 1kW. La

vitesse monte jusqu 120 m/s en rduisant la largeur de fente jusqu 400m. Les tests en

soufflerie montrent lefficacit du contrle. La figure 2.18 illustre ce fait : on peut y voir le recollement dun coulement dcoll pour un angle dattaque de 25 grce lactionnement des jets synthtiques.

Figure 2.17 Architecture du dispositif [21]


___________________________________________________________________________

- 38 -

Figure 2.18 Tests en soufflerie : angle d'attaque 25, U = 35 m/s GAUCHE: coulement dtach DROITE: coulement recoll. Actionnement 120 Hz [21]

Un autre exemple dutilisation dun piston pour engendrer la variation de volume ncessaire pour gnrer un jet synthtique est celui propos par T M Crittenden et A Glezer [22] (GeorgiaTech). Dans ce cas cest un orifice circulaire qui est utilis, gnrant ainsi un jet axisymtrique. Dans ce cas la variation de volume entraine est de 6,49 cm3 grce un piston de 2,12 cm de diamtre. Le diamtre de lorifice varie entre 1,6 et 4,8 mm, la longueur de lorifice tant pour tous les cas de deux fois le diamtre (Cf. Figure 2.19 (a)). Le volume total de la cavit varie en ajoutant de la hauteur au del des 18,4 mm ncessaires pour le dplacement du piston. Cette hauteur supplmentaire varie de 0,7 8,4 mm.

Figure 2.19 (a) architecture du dispositif (b) volution de la vitesse de sortie sur la demi-priode d'expulsion (0 50 % du cycle): prises 30, 34, 38, 42, 46 et 50 % [22]

(a) (b)


___________________________________________________________________________

- 39 -

La figure 2.19 (b) prsente des rsultats pour la configuration suivante : diamtre de sortie de 2,4 mm, hauteur supplmentaire de la cavit de 0,7 mm, et une frquence de 100 Hz. Le jet prsente des nombreux effets de compressibilit et la vitesse de pointe atteint les 575 m/s. On ne dispose pas dinformation concernant la puissance ncessaire pour actionner le cylindre.

Les jets synthtiques gnrs avec un actionnement de type piston sont puissants (vitesses autour des 100 m/s pour le premier cas, voire supersoniques pour le deuxime), mais au prix dune basse frquence dactionnement (250Hz pour le premier cas et 100 Hz pour le deuxime) et dune consommation importante (325W pour le premier cas). De plus ce sont des systmes encombrants.

Une autre mthode dactionnement communment applique est lutilisation dun ou plusieurs lments pizolectriques. Les configurations possibles pour lutilisation des diaphragmes pizolectriques sont prsentes sur la figure 2.20.

Figure 2.20 Dispositions possibles pour l'actionnement via des diaphragmes pizolectriques

Un premier exemple dactionnement pizolectrique pour lobtention de jets synthtiques est celui men par B L Smith et A Glezer [23] (GeorgiaTech). Le diaphragme pizolectrique rsonant 1140 Hz et aliment sinusodalement est mont suivant les deux premires configurations de la figure 2.20. La taille de la fente de sortie est de 0,5x75 mm. Des vitesses de 11 m/s ont t produites. Les dispositifs ont t utiliss pour contrler la direction dun jet continu adjacent (Cf. Figure 2.21 (a)). Une tude similaire a t mene par L G Pack et A Seifert [24] (Universit de Tel Aviv). Le mme type de dispositif avec une fente de 0,5 x 140 mm a t utilis pour tudier les modifications dun coulement autour dun cylindre de 62 mm de diamtre [25]. Deux actionneurs placs cte cte ont t utiliss. La figure 2.21 (b) illustre les rsultats obtenus : (1) correspond lcoulem

Documents

50376-2009-Gimeno