Electro-Fluido-Dynamique

Electroaérodynamique : contrôle des écoulements d'air par actionneurs plasmas

Contexte et objectifs

L’électroaérodynamique consiste à contrôler un écoulement aérodynamique à l’aide d’une décharge électrique. Ces décharges électriques, généralement établies à la surface d’une paroi, constituent les « actionneurs plasmas ». Ils ont pour objectif de modifier les caractéristiques de l’écoulement dans la couche limite à l’aide de la force électroaérodynamique et du vent électrique produits par les décharges de type « corona » ou DBD, ou à l’aide de l’onde de pression créée par les décharges nano-pulsées.  L’intérêt majeur des actionneurs plasmas est qu’ils sont mieux adaptés que les actionneurs fluidiques et mécaniques au contrôle multifréquentiel en temps réel et en boucle fermée.

L’axe EFD de l’institut Pprime a été la première équipe de recherches en Europe à travailler sur ce sujet, à partir de 1996. Elle étudie à la fois les décharges plasmas, ainsi que leurs effets sur les écoulements gazeux.

Vue de dessus d’un actionneur plasma à décharge à barrière diélectrique en fonction de l’altitude.

Vue de dessus d’un actionneur plasma à décharge à barrière diélectrique en fonction de l’altitude.

Visualisation du recollement d’un décollement de bord d’attaque sur profil NACA 0015 par actionneur plasma.

Visualisation du recollement d’un décollement de bord d’attaque sur profil NACA 0015 par actionneur plasma.

Electrohydrodynamique : contrôle des écoulements de liquides

Contexte et objectifs

L’objectif est d’étudier les mécanismes physiques qui permettent de contrôler ou de mettre en mouvement un liquide en utilisant principalement les forces électriques. Deux modes d’action sont possibles : exercer une force volumique en utilisant des charges d’espace préexistantes ou créées par injection, ou bien agir sur les charges électriques présentes au niveau des interfaces. Ces méthodes EHD ont de nombreuses applications industrielles comme la pulvérisation de pesticide ou le papier électronique par exemple. Dans notre équipe, l’effort de recherche porte plus particulièrement sur l’amélioration de la pulvérisation du carburant dans les moteurs thermiques et sur les pompes EHD. Les progrès récents que nous avons obtenus dans le domaine de l’atomisation des carburants permettent d’envisager une amélioration de la fiabilité des turboréacteurs. Les actionneurs EHD que nous avons développés ont montré que l’utilisation des seules forces électriques suffit à pulvériser une nappe de carburant. L’ensemble des efforts réalisés depuis plusieurs années vient par ailleurs tout juste d’être récompensé par le dépôt d’un premier brevet.

Electrisation par écoulement : double couche électrique

Contexte et objectifs

Ce thème est le thème historique de l’axe. Les travaux développés sont composés d’un aspect fondamental (étude de la double couche électrique qui est à l’origine du phénomène d’électrisation par écoulement) et d’un aspect plus appliqué. Ils cherchent à caractériser les risques électrostatiques dans un contexte industriel, à identifier les facteurs aggravant le phénomène électrocinétique, à déterminer la phénoménologie de l’accident électrostatique et enfin, à proposer des solutions technologiques adaptées. L’axe EFD constitue la seule équipe en France à travailler sur ce sujet. Elle développe principalement des travaux expérimentaux avec notamment des capteurs qui sont reconnus des industrielles comme outils de diagnostic du risque électrostatique. Ces capteurs permettent de définir les équilibres électriques (production, accumulation et fuite des charges électriques) à l’interface d’un diélectrique solide lors de l’écoulement d’un liquide. Plus récemment, des outils numériques sont venus complétés les outils expérimentaux, afin de modéliser la double couche électrique en statique et en dynamique. Plusieurs modèles de mécanisme de production de charge sont en cours de développement.

Instrumentation de mesure capacitive de l’éléctrisation par éoulement.

Simulation numérique de la densité volumique de charge à l’interface entre un solide et un liquide.

Electrostatique et écoulements diphasiques

Contexte et objectifs

L’objectif est la compréhension des phénomènes physiques et électrocinétiques associés aux mouvements de particules dans un fluide. L’écoulement et l’interaction des particules solides entre elles dans les installations de transport pneumatique génèrent, par effet triboélectrique, des niveaux de charge très élevés, pouvant induire des risques électrostatiques graves. D’autre part, les forces du champ électrique permettent de contrôler les trajectoires des particules chargées ou polarisées. C’est le cas par exemple des séparateurs granulaires (diamètre des particules de l’ordre du mm) et des précipitateurs électrostatiques (diamètre des particules de l’ordre du µm) utilisés pour le traitement des déchets et des fumées industrielles. La Fig. 5 présente un séparateur électrostatique mis au point par un chercheur de l’opération EFD, qui permet de contrôler la trajectoires des particules conductrices (ligne pointillée noire) et des particules isolantes (ligne pointillée jaune) de façon à les trier. La Fig. 6 montre une vue instantanée (P.I.V. rapide à 6 kHz) de la précipitation électrostatique et de la trajectoire de particules de 0.3 µm, 6 ms après le passage d’un streamer dans le cas d’une décharge à barrière diélectrique de type plan-plan.

Modélisation numérique des phénomènes électrofluidodynamiques

Contexte et objectifs

Cette thématique est dédiée à la simulation numérique des écoulements EFD monophasiques ou diphasiques, avec ou sans transfert de chaleur. La résolution des équations de Navier-Stokes couplées avec celles de l’EHD est réalisée dans différents codes de calculs développés au sein de l’opération EFD. La Fig. 7 présente les champs de vitesse de l’écoulement induit par l’application d’une haute tension entre une lame et une plaque dans un liquide diélectrique. L’objectif majeur de cette thématique est de pouvoir fournir à toute les composantes de l’axe un outil de simulation numérique capable d’appréhender l’ensemble des phénomènes électrofluidodynamiques. Dans un premier temps, nos efforts se sont concentrés sur l’injection de charges électriques dans les liquides et nous aborderons dans un futur très proche la simulation numérique de la génération de plasma dans l’air. En effet, cet aspect bien qu’encore très partiellement traité numériquement par la communauté internationale fait l’objet d’intérêts primordiaux notamment pour tout ce qui concerne le contrôle des écoulements par actionneurs plasma, un des thèmes majeurs de notre axe. A terme, l’objectif est de disposer d’un outil de calcul 3D parallélisé, capable de simuler les phénomènes électriques tant dans les liquides que dans les gaz et en présence ou non de particules solides, et ce essentiellement en vu de leur contrôle.

Champs de vitesse de l’écoulement induit par l’application d’une tension de 20 kV entre une lame et une plaque dans un liquide diélectrique, résultats expérimentaux et simulation numérique.

Champs de vitesse de l’écoulement induit par l’application d’une tension de 20 kV entre une lame et une plaque dans un liquide diélectrique, résultats expérimentaux et simulation numérique.

Electrofluidique des électrolytes et sources éléctrochimiques d'énergie

Contexte et objectifs

L’objectif est d’étudier l’impact des écoulements sur le passage du courant électrique dans des électrolytes. La maîtrise de ces écoulements permet de contrôler la distribution du courant électrique dans des systèmes électrochimiques avec de nombreuses applications industrielles (le traitement et la protection électrique des surfaces, par exemple). De plus, les mesures du courant limite de diffusion permettent de diagnostiquer le frottement pariétal local, la turbulence de la sous-couche visqueuse et le coefficient de transport de matière aux interfaces solide/liquide et liquide/liquide. Une autre direction de recherche est consacrée aux piles à combustible. L’axe EFD modélise les couplages électrofluidique, thermique et mécanique au cœur des piles et développe la métrologie thermique et électrique spécifique à ce type d’étude. La Fig. 8 montre le banc de test et la pile à combustible assemblée au laboratoire et équipée par les capteurs spécifiques pour la mesure de température au niveau de la couche active.

Fig. 8 : Banc test de piles à combustible.

Fig.9 : Impedancemetrie