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.

Nicolas.benard@lea.univ-poitiers.frEric.moreau@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