Thèses : « Aérodynamique des plasmas »

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Announ, Mohamed. « Lévitation aérodynamique de billes sur des jets de plasma d'argon : aspects dynamiques et thermiques ». Perpignan, 1996. http://www.theses.fr/1996PERP0242.

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Résumé :

On a maintenue en levitation aerodynamique sur des jets de plasma d'argon des spheres d'acier inoxydable dans le but d'obtenir des coefficients de transfert de chaleur. Les conditions d'equilibre ont ete precisees par analyse d'images video. On a etabli une expression reliant les hauteurs de levitation mesurees aux parametres experimentaux (diametres des buses et des spheres, debit de gaz, puissance fourni au gaz plasmagene). La temperature des billes etait mesuree soit par pyrometrie optique soit a l'aide d'une thermopile. Les proprietes de l'ecoulement (temperature, composition, vitesse) ont ete mesurees au point d'arret des spheres par une methode pneumatique associee a des mesures par spectrometrie de masse. Des coefficients de transfert de chaleur et des nombres de nusselt ont ete deduits de la temperature des billes a l'equilibre thermique ou par analyse de l'evolution dans le temps de leur temperature

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Dramane, Boni. « Précipitation électrostatique de particules submicroniques par décharge à barrière diélectrique : étude électrique, granulométrique et aérodynamique ». Poitiers, 2009. http://theses.edel.univ-poitiers.fr/theses/2009/Dramane-Boni/2009-Dramane-Boni-These.pdf.

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Résumé :

Nous avons, dans le cadre de ce travail, développé la Décharge à Barrière Diélectrique (DBD) dans deux électrofiltres de géométries différentes. L'un des électrofiltres est de configuration Fil -Cylindre et l'autre de configuration Plan-Plan. Le premier volet de l'analyse de la précipitation électrostatique a consisté à déterminer l'efficacité de collecte des électrofiltres. Les résultats obtenus ont montré que l'utilisation de la DBD pour la précipitation donnait non seulement de très bons résultats en configuration Fil-Cylindre, mais également en configuration Plan-Plan (plus de 99% d'efficacité). Le second volet de notre étude a été consacré à la caractérisation des phénomènes EHD à l'intérieur des électrofiltres DBD à l'aide de moyens métrologiques optiques. Les résultats ont montré que le vent électrique a une influence minime sur la précipitation. En dehors du processus de génération du vent électrique dû à la différence de rayon de courbure entre les électrodes, il semblerait que les streamers soient impliqués dans le phénomène de précipitation. D'un point de vue organisationnel, ce travail s'articule autour de quatre chapitres. Dans le premier chapitre, nous présentons la précipitation électrostatique comme un outil de dépollution de l'air. Le deuxième chapitre est consacré à la caractérisation électrique des électrofiltres. Le troisième chapitre aborde l'analyse des performances granulométrique des électrofiltres. Enfin, le quatrième chapitre traite l'aspect EHD des phénomènes opérant à l'intérieur des électrofiltres
In this work, we developed a Dielectric Barrier Discharge (DBD) in two opposite configurations of ESP. One of them is based on Wire-to-Cylinder configuration; the second is on Plate-to-Plate configuration. The first step of our analysis of the electrostatic precipitation was the evaluation of ESP collection efficiency. The results have shown that, using the DBD, we can effectively precipitate in Wire-to-Cylinder configuration as well as in Plate-to-Plate configuration (more than 99% of efficiency). The second step of the study was devoted to the characterization of the EHD flow phenomenon inside the investigated ESP, using Particle Image Velocimetry technique. The obtained results have established that the electric wind has a minimal effect on electrostatic precipitation. Outside the usual process of electric wind generation, the streamers seemed to be implicated in the precipitation process. This work is articulated around four chapters. In the first one, electrostatic precipitation is investigated as a pollution control device. The second underlines the electrical characterization of the ESP. In the third, the study of ESP performance in terms of precipitation is examined. Finally, the fourth is devoted to the characterization of the EHD flow phenomenon inside the investigated ESP

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Quinio, Géraldine. « Modélisation numérique de la génération d’un plasma d’air dans un écoulement aérodynamique ». Toulouse, INSA, 2005. http://eprint.insa-toulouse.fr/archive/00000445/.

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Résumé :

Afin de diminuer la signature radar d'une entrée d'air d'aéronef, un dispositif envisagé consiste en l'ionisation partielle de l'air au niveau de l'entrée d'air. L'objectif de la thèse est de développer des modèles mathématiques et numériques permettant de mieux appréhender les principaux mécanismes physiques intervenant dans la génération d'un plasma d'air à pression atmosphérique soumis à un vent. Une analyse asymptotique d'un modèle 0D de cinétique de création d'un plasma d'air dans un écoulement a été effectuée. Le maintien du plasma repose sur la présence des métastables: permettant de détacher des électrons d'ions négatifs et sur la vitesse de l'écoulement porteur. Dans un second temps, nous nous sommes intéressés au dispositif des décharges capillaires générant une décharge homogène dans l'air à pression atmosphérique. Un modèle 0D a été conçu afm de comprendre les principaux mécanismes physiques intervenant dans l'initiation de la décharge. Les simulations numériques ont montré l'importance des phénomènes aux parois. Enfin, une dernière partie est consacrée à l'élaboration et à l'étude d'un modèle numérique bidimensionnel d'une décharge continue Pointe Négative Plan dans une entrée d'air. Le modèle est constitué d'un système d'équations non-linéaires de convection/diffusion/réactions couplées à l'équation de Poisson. Le courant induit par la circulation du plasma dans le circuit extérieur est relié au potentiel par une équation différentielle ordinaire en temps. Les simulations numériques montrent que lorsque le vent devient important, la formation périodique de canaux plasmiques dérivant ensuite le long de l'écoulement porteur est observée
Order to reduce the flash points in air intake of aircraft, a considered deviee consists in the partial ionisation of the air around the air intake. The aim of the thesis is to develop mathematical and numerical models in order to apprehend the main physical mechanisms which occur in the generation of air plasmas at atmospheric pressure in air flows. An asymptotic analysis of simple ionization kinetics of air flows at atmospheric pressure is first proposed. The existence of the plasma depends on the value of the flow velocity relative to a threshold value and on the existence of metastables which detach electrons from negative ions. Secondly, we were interested in the modelling of capillary discharges which allows the genera tion of a homogeneo us discharge in air at atmospheric pressure. A OD model has been made in order to understand the main physical mechanisms occurring in the discharge initiation. The numerical simulations shows the wall phenomena take an important place in the operation of the discharge. Lastly, a 2D model is developed to model a negative tip/plane corona discharge in air flows. The mode! consists of a system of non-linear convection/diffusion /reaction equations coupled with the Poisson equation. The current induced by the plasma circulation in the extemal circuit is Iinked with the potential through an ordinary differential equation in time. The numerical simulations show that when the flow velocity becomes important, a periodical formation of plasma channels carrying away by the air flow is observed

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Bérard, Philippe. « Etude du vent ionique produit par décharge couronne à pression atmosphérique pour le contrôle d'écoulement aérodynamique ». Châtenay-Malabry, Ecole centrale de Paris, 2008. http://www.theses.fr/2008ECAP1085.

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L'étude a porté sur le vent ionique produit par une décharge couronne créée par deux électrodes reliées aux bornes d'une alimentation haute tension, en vue de comprendre les phénomènes à la base du vent ionique et les paramètres quicontrôlent sa vitesse dans l'air à pression atmosphérique. Une étude paramétrique est réalisée sur la distance inter-électrodes, lediamètre et le matériau des électrodes, la tension, sa polarité, le courant et le gaz. En parallèle, un modèle numérique bidimensionnel de la décharge positive et du vent ionique est développé, comprenant les équations de Poisson, de continuité de la densité électronique, de continuité des densités d'un ion positif et d'un ion négatif, de continuité de la masse et les équations de Navier-Stokes. Le systèmeest fermés avec des expressions représentant la cinétique chimique de la décharge et le transport des charges. La simulation a étéfaite à l'aide du logiciel FLUENT et de modules programmables. Les mesures ont montré que la vitesse du vent ioniquene nedépend directement que de la racine carrée du courant. Les paramètres géométriques quant à eux modifient la caractéristique courant-tension. Le matériau n'a pas d'influence tandis que le gaz dans lequel se produit la décharge modifie l'évolution de la vitesse en fonction du courant. Ces résultats sont retrouvés par les calculs qui montrent que l'émission secondaire d'électrons par bombardement ionique est négligeable dans la configuration étudiée et que la mobilité des ions est importante. La comparaison des mesures dans différents gaz permet d'estimer les ions prépondérants dans le phénomène de vent ionique. Les calculs sont en bon accord avec les expériences
The studydeals with ionic wind produced by a corona discharge created by two electrodes connected to a high voltage power supply, in the aim to understand the phenomenaof the ionic wind and the parameters that control its velocity in air at amopsheric pressure. A parametric study is realized on the gas distance, the diameter and the material of the electrodes, the voltage, its polarity, the current and the gas nature. In parallel, a 2D steady-state numerical model of the discharge and of the ionic wind is developped, solving simultaneously the Poisson equation, the continuity equations for electrons, positive ions, negative ions and the Naviers-Stokes equations. The system is closed with expressions modelling the kinetics chemistry of the discharge and the transport of charges. The simulations have been done with FLUENT and complementar modules. The measurements show that the velocity of the ionic wind depends directly of the square root of the current. The geometrical parameters modify the current-voltage characterics. The material has no influence while the gas nature modifies the evolution of the velocity vs the current. Theses results are also fund with simulations which show that the secondary electron emission is neglectable in the studied configuration and that the ion mobility is important. The comparison between the measurements in differents gases helps to estimate the predominant ions in the ionic wind phenomenon. Simulations are in good agreement with experiments

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Amic, Kevin. « Oxygène atomique dans les conditions de l'environnement spatial : expériences et simulations d'une source entretenue par laser ». Orléans, 2006. http://www.theses.fr/2006ORLE2014.

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Ce travail concerne la mise en œuvre d'une source d'oxygène atomique qui est ensuite utilisée pour reproduire les conditions d'une orbite basse terrestre. L'installation PELICAN est un moyen au sol capable de simuler en un temps réduit, des temps d'exposition étendus à un environnement d'orbite basse terrestre. La source d'oxygène atomique consiste en un faisceau d'atomes énergétiques extrait d'un jet supersonique. Le jet est produit en laissant s'écouler à travers une tuyère sonique un plasma entretenu par un rayonnement laser infrarouge. Des échantillons métalliques ont été exposés au flux d'atomes ainsi produit (vitesse d'impact de l'ordre de 5 km/s). Une altération de l'état de surface de ces échantillons a été mise en évidence. Des simulations numériques ont également été réalisées afin d'étudier quelques caractéristiques macroscopiques (vitesse, pression, température) des plasmas d'argon produits sur PELICAN. Les résultats de calculs sont comparés aux résultats expérimentaux dans le cadre de deux types de modélisation. La première fait appel à une hypothèse d'équilibre thermodynamique local, alors que dans le deuxième cas, une modélisation du type "plasma hors-équilibre" est utilisée.

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Fourmond, Cyril. « Synthèse d'oxydes par plasma : mise au point d'un réacteur plasma pour les tests de résistance aux CMAS : application à l'élaboration et la protection des barrières thermiques dans les turbines d'aéronefs ». Paris 6, 2011. http://www.theses.fr/2011PA066712.

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Lors de cette thèse nous nous sommes fixés deux objectifs. Le premier était de réaliser des dépôts d’YpSZ pour l’application barrière thermique. Pour cela nous avons utilisé un réacteur plasma basse pression horizontal développé au LGPPTS équipé d’un injecteur pneumatique utilisant des précurseurs nitrés dissous en solution aqueuse. Ce nouveau procédé est intéressant car grâce à des conditions thermiques douces il permet d’obtenir après un recuit des nano pores dans les dépôts. Ces nano pores permettent de réduire la diffusivité thermique. Ainsi nous avons étudié en détails ce procédé et réalisé deux simulations de celui-ci : une première sous COMSOL pour obtenir des informations sur les gaz et une seconde sous SCILAB pour obtenir des informations sur les gouttelettes de précurseurs nitrés. Ainsi grâce à l’étude paramétrique du réacteur, nous avons réalisé des dépôts d’YpSZ épais (100µm) présentant une porosité totale de 50%. Le second objectif était de protéger la barrière thermique des dégradations induites par l’attaque des CMAS. Nous avons choisi de la recouvrir d’une couche de Gd2Zr2O7 car cet oxyde possède la capacité de réagir avec les CMAS et ainsi stopper leur infiltration dans la barrière thermique. Pour réaliser les dépôts de Gd2Zr2O7, nous avons utilisé un réacteur plasma basse pression vertical équipé d’un nébuliseur. Grace à ce procédé nous avons été en mesure de déposer des couches de type YpSZ/Gd2Zr2O7 dégradé en concentration. En parallèle, nous avons aussi adapté un procédé de plasma thermique équipé d’un injecteur de poudre pour avoir à disposition une installation expérimentale de simulation d’attaque des CMAS sur les barrières thermiques

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Larricq-Fourcade, Cédric. « Étude de la pulvérisation assistée en air d'une nappe liquide et influence d'un vent ionique sur les instabilités hydrodynamiques ». Toulouse, ENSAE, 2006. http://www.theses.fr/2006ESAE0024.

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La pulvérisation assistée en air est utilisée dans les systèmes d’injections des turbomachines et repose sur le principe de l’injection d’une nappe liquide annulaire ﬁne (~300 µm) qui est cisaillée et fragmentée par deux écoulements gazeux de part et d’autre de l'anneau liquide. Ce type de pulvérisation manque d'efﬁcacité lorsque la vitesse des écoulements d’air est faible (<30 m/s). Cette étude s’articule autour des deux objectifs que sont une meilleure compréhension du phénomène de pulvérisation assistée en air de nappe liquide et une implémentation d’outils technologiques, appelés actionneurs, destinés à améliorer l'efﬁcacité de la pulvérisation. Des expériences ont été mises en place avec un injecteur simplifié pour étudier et modéliser la fragmentation de nappes liquides planes d'eau, d’éthanol et de kérosène. L'influence que pourrait avoir sur ce phénomène l'utilisation d’actionneurs plasmas a par la suite été mesurée. Ces actionneurs produisent un écoulement aérodynamique par l'intermédiaire de la génération de décharges électriques de surface (couronne ou DBD). Ce phénomène est appelé « vent ionique » et est utilisé dans notre application pour augmenter le cisaillement aérodynamique responsable des instabilités hydrodynamiques qui mènent à la pulvérisation de la nappe liquide.

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Prazeres, Lino Da Silva Mário António. « Simulation des propriétés radiatives du plasma entourant un véhicule traversant une atmosphère planétaire à vitesse hypersonique : application à la Planète Mars ». Orléans, 2004. http://www.theses.fr/2004ORLE2071.

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Résumé :

L'entrée d'un véhicule spatial dans une atmosphère planétaire induit la formation d'une onde de choc hypersonique puis d'un plasma à haute température et à basse pression. Le plasma entourant ce véhicule rayonne fortement sur une large gamme spectrale, et le dimensionnement des protections thermiques du véhicule demande de quantifier ce rayonnement de façon précise. L'étude présentée analyse le rayonnement émis par un plasma d'entrée atmosphérique sur Mars. Un code de calcul raie-par-raie a été développé pour simuler le rayonnement d'un plasma de type Martien, et les propriétés radiatives à l'équilibre de ce plasma ont été simulées. Des mesures du rayonnement d'un plasma Martien ont ensuite été réalisées dans des moyens d'essai complémentaires. Les principaux systèmes moléculaires émissifs ont été identifiés, et un modèle théorique d'excitation de ces systèmes est proposé. L'étude est complétée par une analyse numérique et expérimentale de l'écoulement d'un plasma supersonique de type Martien dans le moyen d'essai arc-jet SR5.

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Menier, Eric. « Influence d'une décharge électrique continue sur un écoulement supersonique raréfié ». Orléans, 2007. http://www.theses.fr/2007ORLE2072.

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Le sujet de la thèse est l’étude de l’influence d’une décharge électrique sur un écoulement supersonique raréfié le long d’une plaque plane. La plaque munie d’électrodes est plongée dans un écoulement supersonique (Mach 2) et à basse pression (8 Pa). Une décharge électrique négative est créée et stabilisée au-dessus de la maquette. Un chauffage de la plaque de 200K est mesuré par thermographie infrarouge, ainsi qu’un fort champ électrique localisé au-dessus de la cathode. La spectrométrie d’émission a permis de quantifier un chauffage du gaz, là encore au-dessus de la cathode. L’aérodynamique de la plaque est modifiée par la décharge : les profils de pression mesurés par tube de Pitot ont montré un épaississement de couche limite pour des puissances électriques de 30 W et plus. En outre, des mesures par jauge de contrainte ont indiqué une augmentation légère des forces subies par la plaque. Une simulation numérique par une méthode de Monte Carlo (DSMC) des effets de la décharge a été entreprise. Le vent ionique, conséquence du transfert de quantité de mouvement entre les ions accélérés par le champ électrique et les neutres est simulé, et il est démontré qu’il ne joue pas de rôle dans les conditions de vitesse rencontrées. Un apport d’énergie en volume a indiqué des changements importants dans les profils des grandeurs macroscopiques mais pour des valeurs certainement surévaluées de l’énergie introduite. Finalement, une simulation de type paroi chauffée, basée sur les valeurs de températures mesurées expérimentalement montre sur les profils de pression des changements en accord qualitatif avec les profils expérimentaux.

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Boubert, Pascal. « Méthodes spectroscopiques appliquées aux plasmas et aux milieux à haute enthalpie ». Rouen, 1999. http://www.theses.fr/1999ROUES056.

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Le présent travail traite de l'application des techniques spectroscopiques aux plasmas et plus généralement aux milieux à hautes températures. Les bases de la spectroscopie d'émission, d'absorption et de fluorescence pour les molécules diatomiques sont tout d'abord rappelées ; puis l'utilisation des spectres synthétiques pour la mesure des températures est tout spécialement détaillée. La puissance de cette technique est soulignée mais l'accent est également mis sur le recul nécessaire à l'interprétation des températures obtenues. Le cas des molécules fortement excitées rotationnellement et vibrationnellement est mis en avant. La spectroscopie de l'ultraviolet du vide est évoquée et une nouvelle source utilisant des excimères de gaz rares est testée avec des résultats prometteurs dans ce domaine spectral. Par ailleurs, la fluorescence induite par laser des monoxydes de carbone, de silicium et d'azote est étudiée. Dans ce dernier cas, une approche théorique du schéma d'excitation permet de montrer que le régime linéaire constaté expérimentalement n'est pas prévisible simplement par le calcul. Une telle constatation remet en cause les valeurs absolues de concentration de NO obtenues d'après un modèle simple d'excitation de la bande. Les différentes techniques spectroscopiques sont ensuite appliquées expérimentalement sur deux installations. Tout d'abord, afin de reproduire l'entrée d'un engin spatial dans l'atmosphère de mars, une tuile en C-SIC est immergée dans un jet de plasma CO2-N2 basse pression généré par arc. La production de NO et de CN à la paroi suggère une action catalytique importante de l'azote ; un processus d'adsorption catalytique est proposé pour l'azote vibrationnellement excité. La présence de monoxyde de carbone métastable est également mise en évidence dans ce type de plasma. Enfin, la couche de choc devant une maquette cylindrique en inox plongée dans un écoulement hypersonique d'air est étudiée. Les mesures concernent la fluorescence du monoxyde d'azote et sont réalisées dans la soufflerie à piston libre TCM2 à Marseille. Deux conditions d'enthalpie (Mach = 5 et 10) sont considérées qui permettent de souligner l'importance de l'azote atomique dans la formation de NO à la paroi.

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Elias, Paul-Quentin. « Effet de plasmas sur une onde de choc dans un écoulement supersonique à Mach 3 ». Châtenay-Malabry, Ecole centrale de Paris, 2007. http://www.theses.fr/2007ECAP1047.

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Résumé :

L’objet de ce travail est de caractériser l’interaction d’un plasma de décharge généré sur une maquette inspirée du dispositif de Kuo & Bivolaru avec un écoulement supersonique à M=3. D’une part, on étudiera la génération ou non de l’écoulement, différents régimes de décharges sont observés. Sur l’écoulement stationnaire, on observe des décharges couronnes impulsionnelles, luminescentes, et d’arc, pour des pointes polarisées positivement et négativement. La topologie de la décharge luminescente suggère l'existence d'une double gaine au niveau de l'onde de choc. Sur l’écoulement instationnaire, seuls les régimes couronnes et d’arc sont observés. Malgré plusieurs tentatives, nous n’avons pu reproduire les observations de Kuo et Bivolaru. Ceci peut être expliqué soit par l'omission d'un élément dans notre reproduction de leur dispositif (les données publiées sont insuffisantes pour reproduire leurs dispositif), soit par la possibilité d'une interprétation erronée de la part de ces auteurs. Néanmoins, nous avons pu mettre en évidence la stabilisation d’un écoulement instationnaire avec Lp/D=0,46 lors de l’activation d’une décharge couronne négative de faible puissance (P<1W). Afin de comprendre ce phénomène, un modèle permettant la prise en compte systématique des couplages entre l’écoulement et la décharge a été développé. La décharge couronne négative est modélisée afin de quantifier les couplages identifiés. On montre qu’il existe au moins deux façons d'obtenir numériquement la stabilisation de l’écoulement : au moyen d’un chauffage continu ou par application d’une force continue. Cependant, les ordres de grandeurs nécessaires sont beaucoup trop importants par rapport à ce que peut générer une décharge couronne négative. L'analyse approfondie de l'écoulement instationnaire pour Lp/D=0,46 montre qu'il existe un Reynolds critique au delà duquel l'écoulement redevient stationnaire. Le caractère turbulent de la couche limite est incriminé pour expliquer la stabilisation de l'écoulement. On propose alors l'hypothèse suivante : la décharge impulsionnelle se comporte comme une source acoustique de forte intensité susceptible de déclencher la transition de la couche limite
This work study the interaction of an on-board generated gas discharge and a M=3 supersonic airflow. For this purpose, a truncated conical model mounted with a central spike is used. The ratio Lp/D is the main geometrical parameter of the test model, where Lp and D are the spike length and the truncated section diameter, respectively. A pair of electrodes located on the model allows to generate gas discharges. The drag is also measured. At a given Reynolds number, the flowfield around the model is steady for Lp/D<0. 40, and unsteady for Lp/D>0,40. According to the flowfield state, different discharge regimes are observed. In the steady flowfield, pulsed corona, glow and arc regime are obtained, for positively and negatively biased spikes. In the unsteady flowfield, corona and arc regimes only are obtained, also in both polarities. In all cases, the drag is unchanged when turning on the discharges. When a negative corona regime with a weak input power (P<1W) is generated in a Lp/D=0,46 unsteady flowfield, we observe the stabilization of the unsteadiness. To understand this phenomenon, the negative corona discharge is modeled to quantify the couplings between the flow and the discharge. Further investigations of the Lp/D=0. 46 unsteady flowfield show that above a critical Reynolds number, the flowfield switch back to a steady regime. The transition to turbulence of the boundary layer is thought to stabilize the flow. Consequently, the following hypothesis is proposed : the pulsed corona discharges acts as a powerful narrow-band acoustic source tripping the initially laminar boundary layer, thus triggering its transition to turbulence

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Gonçalves, Duarte. « Aerodynamic study of atmospheric-pressure plasma jets ». Electronic Thesis or Diss., université Paris-Saclay, 2024. http://www.theses.fr/2024UPASP101.

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Les jets de plasma à pression atmosphérique (JPPAs) étendent le plasma au-delà des parois d'un réacteur. Ces sources de plasma produisent et délivrent des espèces réactives à des matériaux sensibles. En conséquence, les JPPAs ont de nombreuses applications en biologie, médecine, analyse chimique et traitement des matériaux. Les JPPAs sont produits par le passage répétitif d'ondes d'ionisation (OI), guidées en aval par l'écoulement. À leur tour, les OI perturbent l'écoulement à chaque passage. L'étude de l'aérodynamique des JPPAs offre un chemin pour comprendre le couplage plasma-écoulement. Dans ce travail, nous étudions un JPPA d'argon coaxial, avec du gaz de blindage de N₂ et O₂, à travers des expérimentations et de la modélisation. Les expériences montrent deux décharges produites par une impulsion de tension appliquée : une à la montée et une autre à la descente. Chaque décharge produit des métastables d'argon, dont la densité peut être modulée en variant la fraction d'O₂ dans le gaz de blindage. Les températures rotationnelles et vibrationnelles augmentent pendant les décharges, indiquant des transferts d'énergie des électrons aux espèces lourdes. Nous visualisons le jet par imagerie de Schlieren, y compris comment une seule décharge crée des perturbations d'écoulement. En parallèle, nous avons adapté le code SPARK-CFD, initialement écrit pour les plasmas de rentrée, pour simuler les JPPAs sur plusieurs impulsions. Les simulations non réactives montrent comment la géométrie du réacteur affecte la vitesse et la composition chimique dans les jets simples et coaxiaux. Les simulations de JPPA montrent un chauffage des électrons et une excitation et ionisation subséquentes des atomes et molécules. Ce transfert d'énergie provoque une augmentation rapide de la température/pression, modifiant le champ de vitesse du jet. Ces effets s'accumulent sur plusieurs impulsions, changeant les profils spatiaux et temporels du jet et des espèces réactives. Finalement, la version adaptée de SPARK-CFD sera publiée en open-source, fournissant un code pour des simulations des plasmas subsoniques et hypersoniques
Cold atmospheric pressure plasma jets (APPJs) extend plasma beyond the walls of a reactor. These versatile plasma sources produce and deliver reactive species to sensitive materials. Accordingly, APPJs have many applications in biology, medicine, chemical analysis, and material processing. APPJs are produced by the repetitive passage of ionization waves (IWs), which are guided downstream by the flow. In turn, IWs perturb the flow at each passage. Studying the aerodynamics of APPJs provides a path to understanding the plasma-flow coupling. In this work, we study a co-axial argon APPJ with varying N₂ and O₂ shielding gas mixtures through experimental approaches and computational modelling. Experiments show two discharges produced by a square pulse of applied voltage: one at the rising and another at the falling edge. Each discharge produces argon metastables, whose maximum density can be modulated by varying the fraction of O₂ in the shielding gas. Rotational and vibrational temperatures increase during the discharges, indicating fast energy transfers from electrons to heavy species. We visualize the jet through Schlieren imaging, including how a single discharge creates coherent flow perturbations. In parallel, we adapted the SPARK code, initially designed for reentry plasmas, to simulate APPJs pulse-by-pulse and across multiple pulses. Non-reactive simulations show how the reactor's geometry affects the velocity and chemical composition in single and co-axial jet flows. In agreement with experiments, plasma jet simulations show electron heating and subsequent excitation and ionization of atoms and molecules. This energy transfer to heavy species causes a fast temperature/pressure increase, altering the velocity field of the jet. These effects accumulate over multiple pulses, changing the jet and reactive species' spatial and temporal profiles. Finally, the adapted version of SPARK will be released as open-source, providing a code for temporally accurate simulations of plasmas, including flows in subsonic and hypersonic conditions
Os jatos de plasma à pressão atmosférica (JPPAs) estendem um plasma além das paredes do reator. Estes plasmas são versáteis, produzindo e transportando espécies reativas que podem ser aplicadas em materiais sensíveis. São assim usados por em várias indústrias como a biológica, médica, de análise química e de processamento de materiais. Os JPPAs são produzidos pela passagem repetitiva de ondas de ionização (OIs), que são guiadas a jusante pelo escoamento. sendo este também perturbado pelo próprio plasma. Estudar a aerodinâmica dos JPPAs fornece um caminho para entender o acoplamento plasma-escoamento. Nesta tese, estudámos um JPPA coaxial de árgon, blindado por uma mistura de N₂ e O₂, através de experiências e modelização numérica. Experimentalmente observam-se duas descargas elétricas durante cada pulso de tensão aplicada: uma na subida e outra na descida do pulso. Cada descarga produz metaestáveis de árgon, cuja densidade pode ser modulada variando a fração de O₂ no gás de blindagem. Temperaturas rotacionais e vibracionais aumentam durante as descargas, indicando uma transferência rápida de energia entre eletrões e espécies pesadas. Imagiologia de Schlieren permite-nos ver o escoamento, incluindo como uma única descarga cria perturbações coerentes no mesmo. Paralelamente, adaptamos o código SPARK, inicialmente escrito para plasmas de reentrada atmosférica, para simular APPJs ao longo de múltiplos pulsos. Simulações mostram como a geometria do reator afeta a velocidade e a composição química do escoamento em jatos simples e coaxiais. Com plasma, nota-se o aquecimento dos eletrões e subsequente excitação e ionização de átomos e moléculas. Esta transferência de energia para espécies pesadas causa um aumento de temperatura e pressão, alterando o campo de velocidade do jato. Estes efeitos acumulam-se ao longo de múltiplos pulsos, mudando o perfil espaciotemporal do jato e das espécies reativas. Por fim, a versão adaptada do SPARK-CFD será lançada em código aberto, fornecendo uma ferramenta para simulações temporalmente precisas de plasmas subsónicos e hipersónicos

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Diop, Babacar. « "Développement d'un instrument de mesure basée sur la FFE (Fluorescence par Faisceau d'Electrons) pour la caractérisation d'écoulements hypersoniques de basses densités en aérodynamique de rentrée" Babacar DIOP ». Phd thesis, Palaiseau, Ecole polytechnique, 2011. http://tel.archives-ouvertes.fr/docs/00/68/76/26/PDF/These_Babacar_DIOP_version_2.pdf.

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Résumé :

Ces travaux de recherche ont consisté à mettre au point un nouveau prototype compact et miniaturisé d'instrument de mesure basée sur la technique de Fluorescence par Faisceau d'Electrons (FFE). Cet instrument est un canon à électrons destiné à la caractérisation d'écoulements hypersoniques à basses densités en vol à bord de démonstrateurs de rentrée atmosphérique. Les paramètres à mesurer sont les températures de rotation (TR), de vibration (TV) et les densités d'espèces telles que N2 et NO pour une rentrée atmosphérique terrestre et N2, CO, CO2 pour une rentrée atmosphérique martienne. La première partie de cette étude a été consacrée à la conception du prototype de canon à électrons destiné à des mesures embarquées. Nous avons ainsi choisi les différents composants avec des spécifications techniques compatibles avec un cahier des charges typique d'un instrument spatial. Les tests de qualification et de stabilité du faisceau d'électrons ont été réalisés en caisson à vide dans un gaz statique, ce qui a permis une première validation du fonctionnement du canon à électrons de 20 keV avec un courant de faisceau de 1 mA se propageant sur une distance de 30 cm avec peu de dispersion pour des pressions inférieures au millibar. Le prototype a été testé sur différents gaz et mélanges afin de mettre au point un modèle de dispersion. Deux campagnes de mesures en soufflerie aérodynamique (CNRS MARHy et ONERA F4) ont permis de valider le bon fonctionnement du prototype sous vide et/ ou en conditions d'écoulement libre et en présence d'une onde de choc. Une analyse spectroscopique a permis de valider les codes de simulation et d'inversion de spectres et d'identifier la majeure partie des systèmes vibrationnels et rotationnels issus des transitions électroniques, vibrationnelles et rotationnelles de N2, CO et CO2 et des espèces ionisées associées
The objective of this research was to develop a new prototype compact and miniaturized measuring instrument based on the technique of Electron Beam Fluorescence (EBF) This instrument is an electron gun for the characterization of low density hypersonic flows in flight in atmospheric reentry demonstrator. The parameters to be measured are the rotational temperature (TR), vibrational temperature (TV) and densities of species such as N2 and NO for earth atmosphere re-entry and N2, CO, CO2 for Mars atmosphere entry. The first part of this study was devoted to the design of a prototype instrument for an onboard experience. We have chosen the components with technical specifications consistent with the specifications of a typical space instrument. Qualification tests and stability of the electron beam have been achieved in a vacuum chamber with a static gas. This has allowed validating the operation of an electron gun of the order of 20 keV with a beam current of 1 mA propagating over a distance of 30 cm with low dispersion for pressures lower than mbar. The prototype was tested with different gases and mixtures to define and validate a dispersion model. Two series of measurements in wind tunnel (CNRS- MARHy and ONERA -F4 facilities) were used to validate the proper functioning of the prototype vacuum and / or flow conditions. Spectroscopic analysis was used to validate the simulation codes and inversion of spectra which can be traced back to the densities and temperatures of vibration and rotation in a freeflowing and in the presence of a shock wave. A spectroscopic analysis has validated the simulation and spectra inversion codes by the identification of most of the vibrational and rotational systems coming from electronic transitions, vibrational and rotational of different gases and associated species. It allows tracing back the densities and temperatures of vibration and rotation in a free-stream and behind a shock wave

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Matéo-Vélez, Jean-Charles. « Modélisation et simulation numérique de la génération de plasma dans les décharges couronnes et de son interaction avec l'aérodynamique ». Toulouse, ENSAE, 2006. http://www.theses.fr/2006ESAE0021.

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Résumé :

Des études antérieures ont montré la possibilité d’agir sur des écoulements d’air subsoniques par l'intermédiaire d'actionneurs électriques générant le phénomène du vent ionique. Des mesures indiquent des gains de vitesse de quelques mètres par seconde. Ces actionneurs ne nécessitent ni apport supplémentaire de masse, ni pièce mobile et peuvent être utilisés sur une très large gamme de fréquences. Le but de cette thèse est de modéliser et de développer un outil numérique capable de simuler la génération de plasma dans les décharges couronnes et son interaction avec l'aérodynamique. La conﬁguration étudiée est composée de deux électrodes ﬁlaires posées ou incrustées sur une plaque diélectrique et portées à de forts potentiels positifs et/ou négatifs. Grâce à un modèle physique et numérique, le développement de la décharge est simulé en géométries pseudo 1D et 2D. Une étude paramétrique poussée montre une interaction forte entre les deux zones de création du gaz ionisé, situées près des électrodes. L'action sur l'aérodynamique s’explique par le transport des particules chargées dû au champ électrique et leur collision avec les molécules neutres de l'écoulement. Un modèle de couplage des phénomènes électriques et aérodynamiques aboutit à la simulation du vent ionique. L'effet des actionneurs obtenu est en accord avec des mesures effectuées en parallèle de cette thèse.

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Bourdon, Anne. « Les modélisations physiques d'un écoulement supersonique de plasma d'azote basse pression ». Rouen, 1995. http://www.theses.fr/1995ROUES035.

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Résumé :

Ce mémoire présente une étude critique et une tentative de validation des modèles physiques utilisés pour simuler des écoulements gazeux partiellement ionisés hors équilibre thermique et chimique. Cette étude se base sur les nombreuses mesures réalisées au laboratoire de Rouen dans un écoulement de plasma basse pression d'azote en situations de jet libre et de couche limite de type plaque plane, et secondairement dans un plasma d'argon en situation de couche limite (chapitre 1). Nous établissons dans le chapitre 2, les équations générales de conservation nécessaires à la modélisation macroscopique des écoulements de plasmas hors équilibre. Les hypothèses nécessaires sont particulièrement analysées. La modélisation des termes de transport (chapitre 3), des termes sources chimiques (chapitre 4) et des termes d'échanges d'énergie (chapitre 5) est ensuite étudiée. Ce travail se base sur une étude bibliographique approfondie. De nouvelles formulations sont proposées pour le coefficient de recombinaison à trois corps de l'ion N+ et le terme d'échange d'énergie électron-vibration. La délicate modélisation du terme de couplage translation-vibration est également analysée. Malgré la complexité de l'écoulement, l'étude du jet libre d'azote (chapitre 6) nous a permis d'obtenir un accord assez satisfaisant entre notre modélisation actuelle et l'expérience sur les profils axiaux et radiaux de nombreux paramètres. La modélisation des deux couches limites (chapitre 7) s'est avérée plus délicate. En particulier dans l'azote, l'écriture de la condition à la paroi pour les espèces reste un problème ouvert. Notre modèle pour le terme électron-vibration, nous permet de déduire des mesures de température électronique à notre disposition, des informations sur l'excitation vibrationnelle du plasma. Notamment, cette étude permet de mettre en évidence un faible coefficient d'accommodation de la vibration sur la paroi métallique utilisée. L'ensemble de ce travail illustre l'intérêt d'une approche complémentaire expérience-modélisation afin de mieux comprendre ce type d'écoulement complexe

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Audier, Pierre. « Etude d'une décharge à barrière diélectrique surfacique. Application au contrôle d'écoulement autour d'un profil d'aile de type NACA 0012 ». Phd thesis, Université d'Orléans, 2012. http://tel.archives-ouvertes.fr/tel-00843633.

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Résumé :

Dans un contexte de croissance du trafic aérien et dans le but de réduire la consommation de carburant ainsi que les émissions de polluants dans l'atmosphère, l'avion de demain se doit d'être plus respectueux de l'environnement. Dans un objectif d'optimisation de ses performances aérodynamiques,d'importantes activités de recherche sont menées dans le monde pour étudier de nouveaux dispositifs de contrôle actif des écoulements en temps réel. Depuis une dizaine d'années, l'utilisation de la décharge à barrière diélectrique surfacique comme actionneur plasma pour le contrôle d'écoulements suscite un intérêt grandissant. Ce type d'actionneur permet de créer un plasma non-thermique capable de générer un écoulement basse vitesse, appelé vent ionique, qui interagit avec l'écoulement naturel en proche paroi pour l'amener dans un état souhaité. Les études expérimentales présentées dans cette thèse portent, d'une part, sur la caractérisation de l'actionneur plasma sous atmosphère contrôlée pour étudier le rôle de l'azote et de l'oxygène sur le comportement de la décharge et d'autre part, sur l'évaluation des potentialités de cet actionneur à contrôler le décollement massif naissant au bord d'attaque d'un profil d'aile placé à forte incidence. Les résultats mettent en évidence l'importance du rôle joué par O2 dans l'amorçage des filaments de plasma et dans la production de vent ionique. Le taux de production d'ozone de l'actionneur plasma a été quantifié en fonction de la puissance électrique. Les essais en soufflerie, réalisés dans le cadre du projet européen PLASMAERO, montrent l'effet de la fréquence de pulsation du signal d'alimentation haute tension sur la réponse de l'écoulement décollé et des ses instabilités naturelles. Il est ainsi possible, pour le profil placé à des incidences au-delà de l'incidence de décrochage naturel, d'augmenter la portance du profil en supprimant le décollement ou en favorisant la formation de tourbillons portants à l'extrados du profil.

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Boucinha, Vincent. « Etude de l'écoulement induit par une décharge à barrière diélectrique surfacique : contribution au contrôle des écoulements subsoniques par actionneurs plasmas ». Phd thesis, Université d'Orléans, 2009. http://tel.archives-ouvertes.fr/tel-00501829.

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Résumé :

La réduction de la résistance à l'avancement par des techniques de contrôle active sera une nécessité d'importance croissante dans les années à venir pour le secteur des transports. Cette thèse fait partie d'une nouvelle voie de recherche consistant à utiliser des décharges plasmas à pression atmosphérique pour modifier les écoulements en vue d'améliorer les performances aérodynamiques (diminution de la traînée et augmentation de la portance). L'actionneur retenu est une décharge à barrière diélectrique surfacique avec un diélectrique composé d'une combinaison de deux matériaux polymères souples. L'écoulement induit par l'actionneur plasma, appelé vent ionique, est d'abord étudié expérimentalement dans l'air au repos en fonction du régime de la décharge. Une loi empirique liant la vitesse du vent ionique à la tension et à la fréquence de l'alimentation est proposée. De cette loi se dégagent une vitesse et une longueur caractéristiques utilisées pour prédire les principales propriétés du jet de paroi induit en aval de la décharge (lois d'échelle). L'efficacité de l'actionneur est ensuite testée en soufflerie subsonique pour trois configurations aérodynamiques de complexité croissante : couche limite laminaire non décollée (plaque plane), couche limite turbulente décollée (profil épais) et couche limite décollée 3D (corps de Ahmed, lunette inclinée à 25°). Des résultats significatifs tant sur le plan de la modification de la topologie de l'écoulement que de l'amélioration des efforts aérodynamiques sont obtenus pour des nombres de Reynolds jusqu'à 1,7.106 (35 m/s).

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Lagmich, Youssef. « Diagnostic et modélisation d'une décharge à barrière diélectrique pour le contrôle d'écoulement ». Toulouse 3, 2007. http://www.theses.fr/2007TOU30285.

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Résumé :

"Les plasmas atmosphériques de surface peuvent agir sur la couche limite d'un écoulement. Plus types d'actionneurs plasma sont actuellement étudiés. Les objectifs dans le domaine aérodynamique peuvent être le contrôle de transition laminaire-turbulent, la diminution de traînée, l'augmentation de la portance la réduction du bruit et de la consommation. L'avantage des actionneurs plasma est leur simplicité, et la possibilité de commutation rapide. Dans cette thèse nous nous sommes intéressés aux actionneurs plasma constitués par des décharges à barrière diélectrique (DBD) de surface. L'objectif a été, à l'aide de modèle auto-cohérents de décharges, et d'expérimentation dans des conditions simples et contrôlées, de comprendre le fonctionnement de ces décharges, et l'origine de la force électrohydrodynamique (EHD) qu'elles génèrent. Nous avons mis en évidence le fait que cette force EHD est de même nature que celle associée au " vent ionique " dans les décharges couronnes. Les résultats montrent que la force EHD est due à la formation d'un nuage d'ions au-dessus de la surface du diélectrique, et qui dérive dans le champ électrique appliqué. Les claquages se produisant au-dessus du diélectrique contribuent peu à la force EHD. Les ions positifs et les ions négatifs contribuent à la force EHD : les ions positifs pendant la phase positive du cycle (anode au-dessus du diélectrique), et les ions négatifs pendant la phase négative (cathode au-dessus du diélectrique). La force EHD moyenne générée dans une DBD de surface par unité de longueur d'électrode est de l'ordre de 50 mN/m avec efficacité de l'ordre de 0. 2 mN/W. Les expériences mises en œuvre dans cette thèse confirment l'interprétation des modèles. D'autre part les résultats des simulations donnent des tendances en excellent accord avec les mesures expérimentales disponibles. "
Surface plasmas can modify the boundary layer of a flow along an airfoil. Several types of plasma actuators are being studied in different laboratories. In aerodynamic applications, these plasma actuators could be used to increase performance and reduce energy consumption, by controlling the transition between laminar and turbulent regimes, reducing drag, controlling lift and reducing noise. The advantages of plasma actuators are their simplicity and the possibility to electrically control the actuator, without moving mechanical pieces. In this work, we have focused on plasma actuators based on surface dielectric barrier discharge (DBDs). The goal was to develop self-consistent discharge models and simple experiments under controlled conditions to understand in detail the physics of the surface DBDs and of the electrohydrodynamic (EHD) force generated in these discharges. We have shown that the EHD force in surface DBDs is of the same nature as the force associated with the "ion wind" in corona discharge. Results show that the EHD force is due to the development of ion clouds generated above the dielectric surface and drifting in the large electric field. The contribution of the current peaks associated with periodic breakdown above the surface to the EHD force is negligible. Both positive and negative ions contribute to the force: positive ions during the positive part of the cycle (when the electrode above the dielectric surface is the anode), negative ions during the negative part of the cycle (cathode above the dielectric surface). The average EHD force per unit length in a surface DBD is on the order of 50 mN/m, with an efficiency of about 0. 2 mN/W. Experiments developed in this work confirm the physical description of the surface DBD provided by the model. The trends predicted by the simulation results are in excellent agreement with available experimental results

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Thébault-Leborgne, Ludmila. « Analyse expérimentale d'un plasma d'argon supersonique, turbulent, basse pression ». Rouen, 1998. http://www.theses.fr/1998ROUES058.

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Résumé :

Le travail présenté dans ce mémoire est le début d'une étude entreprise afin de mieux appréhender les phénomènes physiques responsables des très fortes fluctuations de la densité électronique, rencontrées dans le sillage lointain de missiles supersoniques. La simulation expérimentale de cette situation a été obtenue par l'élaboration d'une soufflerie inductive, basse pression permettant l'étude d'un jet de plasma d'argon, supersonique, turbulent, sous-détendu à 16 mbar et faiblement ionisé (10 7). Au cours de ce travail, un système de sondes de Langmuir haute fréquence a été développé et permet la mesure simultanée de la température et de la densité électroniques, avec une fréquence d'échantillonnage de 90 kHz. L'évolution temporelle des fluctuations de la densité électronique est obtenue par une sonde de Langmuir alimentée en tension continue. Ces mesures sont associées à des mesures de densité totale et de ses fluctuations obtenues par diffusion Rayleigh a 90° du faisceau d'un laser à excimères, de longueur d'onde 193 nm. Les évolutions du taux de fluctuation de la densité totale montrent une forte augmentation de ce dernier dans les zones de recompression et de forts gradients. Il peut atteindre une valeur de 22% au passage d'un front de choc. Ces résultats impliquent la nécessité de prendre en compte les fluctuations de la densité totale dans les modélisations numériques. Les espèces chargées et les espèces neutres se comportent de façon indépendante dans le front de choc. Cette différence est en partie liée au champ ambipolaire existant entre les ions et les électrons. Le taux de fluctuation de la densité électronique a la même évolution axiale que celui de la densité totale jusqu'à la position du front de choc des neutres. En aval de cette position, le taux croît très rapidement pour atteindre une valeur de 75%. Ce comportement est similaire à ceux rencontres dans les sillages des missiles.

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Le, Quang Huy Damien. « Spectroscopic measurements of sub-and supersonic plasma flows for the investigation of atmospheric re-entry shock layer radiation ». Thesis, Clermont-Ferrand 2, 2014. http://www.theses.fr/2014CLF22462/document.

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Résumé :

Lors des rentrées atmosphériques, les processus thermochimiques hors équilibre dans la couche de choc limitent la fiabilité des prédictions aérothermiques. Afin d'améliorer l'exactitude de ces prévisions, des modèles cinétiques sont actuellement développés. Ces modèles sont expérimentalement évalués à l'aide d'expériences dans lesquelles un départ à l'équilibre thermodynamique est caractérisé. Pour cette raison, le présent travail est consacré à la caractérisation du déséquilibre thermodynamique au sein d'écoulements réactifs à haute enthalpie. La plupart des études expérimentales dédiées à la validation de modèles cinétiques à haute température emploient des installations communément appelées tubes à choc. Nous évaluons ici la possibilité de générer un départ significatif à l'équilibre thermodynamique dans des écoulements plasma stationnaires, incluant des jets supersoniques dans lesquels le déséquilibre vibrationnel est fortement attendu. Des diagnostics spectroscopiques appropriés ont été appliqués, permettant de futures comparaisons avec des descriptions microscopiques issue de modèles théoriques
During planetary atmospheric entries, thermochemical non-equilibrium processes in the shock layer limit the reliability of aerothermal environment prediction. To improve prediction accuracy, non-equilibrium kinetic models are being developed. These models are experimentally assessed through the comparison with well characterized non-equilibrium experiments. For this purpose, the present work is dedicated to the thermodynamic characterization of non-equilibrium in high enthalpy reactive flows. Conversely to common studies that employ short duration facilities to investigate shock layer kinetics, we will assess the possibility of producing significant departure from equilibrium using radio-frequency and microwave stationary plasma flows, including supersonic plasma flows where vibrational non-equilibrium is strongly expected. Suitable spectroscopic diagnostics have been applied allowing future comparisons to be made between the microscopic description of the experiments and theoretical non-equilibrium models

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Orrière, Thomas. « Confinement micrométrique des décharges pulsées nanosecondes dans l'air à pression atmosphérique et effets électro-aérodynamiques ». Thesis, Poitiers, 2018. http://www.theses.fr/2018POIT2272/document.

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Résumé :

Les plasmas froids d’air à pression atmosphérique sont très utiles pour un grand nombre d’applications grâce à leur chimie hors-équilibre et leur souplesse d’utilisation. Leur intérêt réside dans la production de certaines espèces réactives ou chargées avec un coût énergétique plus avantageux que la chimie à l’équilibre. L’objectif de cette thèse est de combiner les décharges nanosecondes répétitives pulsées (NRP) avec une géométrie micrométrique. Par cette combinaison, nous souhaitons palier au chauffage excessif des étincelles qui génèrent pourtant des fortes densités d’espèces. Notre étude se concentre en trois points principaux. Dans un premier temps la phase de claquage est étudiée ; c’est pendant cette étape que l’énergie est déposée et que les espèces sont produites. La combinaison des diagnostics électriques et de spectroscopie d’émission optique montrent que l’air est presque complètement dissocié et ionisé. Ensuite, nous nous intéressons à la phase de recombinaison qui conditionne la durée de vie de ces espèces. Les résultats mettent en évidence une réaction à trois corps comme mécanisme de recombinaison principal. Et enfin, le dernier point concerne le transport des espèces vers un substrat conducteur. En lui appliquant une tension, celui-ci nous permet de générer un écoulement de vent ionique provenant de la décharge. L’écoulement est étudié par vélocimétrie d’images de particules et imagerie Schlieren. Ce travail a permis de démontrer la capacité des NRP micro-plasmas dans la production contrôlée d’espèces réactives et chargées, mais aussi dans leur transport vers une surface par panache électro-aérodynamique
Non-thermal plasmas generated in air at atmospheric pressure have numerous potential applications due to their non-equilibrium chemistry and ease of use. Their main advantages lie in the cost-efficient production of reactive and charged species compared to that of equilibrium chemistry. The aim of this thesis is to combine nanosecond repetitively pulsed discharges (NRP) with a microscale geometry. Using this combination, we seek to reduce the excessive heat release of NRP sparks, while nonetheless reaching high densities of reactive species and electrons. This work is comprised of three main parts. Our first goal is to study the breakdown phase, in which energy is deposited and charged species are produced. We employ both electrical characterization and optical emission spectroscopy in order to show that the NRP microplasma fully ionizes and dissociates the gas. The second part consists of the study of the recombination phase, in which the produced species recombine or survive. Results show that three-body recombination can explain the electron lifetime in this phase. Finally, we study the transport of plasma chemical species from the microplasma to a DC-biased conductive plate representing a substrate. By applying a voltage to this third electrode, we drive an electro-thermal plume via an ionic wind from the microplasma to the plate. This flow is investigated mainly by particle image velocimetry as well as Schlieren imaging. This work shows the capability of NRP microplasmas to produce high densities of reactive and charged species and transport them to a surface using an electrohydrodynamic plume

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Broc, Alain. « Prise en compte du rayonnement dans les écoulements hyperenthalpiques ». Phd thesis, Université Paris Sud - Paris XI, 1998. http://tel.archives-ouvertes.fr/tel-00547448.

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Résumé :

L'astrophysique des écoulements hypersoniques fortement hors équilibres, telle qu'on la trouve comme mécanisme générateur de perte de masse dans les enveloppes circumstellaires d'étoiles évoluées, ou dans les enveloppes circumstellaires de binaires chaudes ou froides en interaction, trouve une contrepartie dans la physique très appliquée et proche des problèmes de l'industrie des écoulements dits ”hyperenthalpiques” soit de plasmas collisionnels dans des tubes à chocs, soit autour de corps naturels ou artificiels pénétrant à très grande vitesse dans des atmosphères planétaires. Lors des rentrées atmosphériques, un choc détaché se forme à l'avant du véhicule spatial. Le plasma de la couche de choc ainsi formée est fortement collisionnel, et les flux de chaleur incidents à la paroi du véhicule sont dominés par les flux radiatifs provenant principalement du continuum. Il est alors nécessaire de prendre en compte le couplage entre l'écoulement et le rayonnement. Pour des nombres de Mach élevés, le plasma de la couche de choc est en d´eséquilibre thermo- chimique et radiatif. Les processus collisionnels (collisions entre particules lourdes et collisions électroniques) et radiatifs (émission et absorption de rayonnement) doivent être traités de façon complètement couplée. Contrairement aux hypothèses les plus fréquemment utilisées jusqu'ici, chaque niveau électronique de l'atome est considéré comme une espèce différente. Les processus collision- nels et radiatifs sont présents dans les équations de conservation de la masse des espèces sous forme de termes sources. Un terme de divergence du flux radiatif intervient dans l'équation sur l'énergie totale du mélange de gaz. Une méthode des volumes finis implicite est utilisée pour le traitement du système d'équations. Cela nécessite le calcul des Jacobiens numériques pour la linéarisation des termes sources chimiques. Un calcul de rentrée atmosphérique à 15 km/s a été effectué et met bien en évidence le déséquilibre thermochimique du plasma. Une diminution de la distance choc/paroi montre l'importance du rayonnement sur la structure de la couche de choc.

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Broc, Alain. « Prise en compte du rayonnement dans les écoulements hyperenthalpiques ». Phd thesis, Paris 11, 1998. https://theses.hal.science/tel-00547448.

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Résumé :

L'astrophysique des écoulements hypersoniques fortement hors équilibres, telle qu'on la trouve comme mécanisme générateur de perte de masse dans les enveloppes circumstellaires d'étoiles évoluées, ou dans les enveloppes circumstellaires de binaires chaudes ou froides en interaction, trouve une contrepartie dans la physique très appliquée et proche des problèmes de l'industrie des écoulements dits "hyperenthalpiques" soit de plasmas collisionnels dans des tubes à chocs, soit autour de corps naturels ou artificiels pénétrant à très grande vitesse dans des atmosphères planétaires. Lors des rentrées atmosphériques, un choc détaché se forme à l'avant du véhicule spatial. Le plasma de la couche de choc ainsi formée est fortement collisionnel, et les flux de chaleur incidents à la paroi du véhicule sont dominés par les flux radiatifs provenant principalement du continuum. Il est alors nécessaire de prendre en compte le couplage entre l'écoulement et le rayonnement. Pour des nombres de Mach élevés, le plasma de la couche de choc est en déséquilibre thermochimique et radiatif. Les processus collisionnels (collisions entre particules lourdes et collisions électroniques) et radiatifs (émission et absorption de rayonnement) doivent être traités de façon complètement couplée. Contrairement aux hypothèses les plus fréquemment utilisées jusqu'ici, chaque niveau électronique de l'atome est considéré comme une espèce différente. Les processus collisionnels et radiatifs sont présents dans les équations de conservation de la masse des espèces sous forme de termes sources. Un terme de divergence du flux radiatif intervient dans l'équation sur l'énergie totale du mélange de gaz. Une méthode des volumes finis implicite est utilisée pour le traitement du système d'équations. Cela nécessite le calcul des Jacobiens numériques pour la linéarisation des termes sources chimiques. Un calcul de rentrée atmosphérique à 15 km/s a été effectué et met bien en évidence le déséquilibre thermochimique du plasma. Une diminution de la distance choc/paroi montre l'importance du rayonnement sur la structure de la couche de choc
Astrophysics of highly non equilibrium hypersonic flows, as mass loss generator mechanism in circumstellar envelopes of evolved stars, or in circumstellar envelopes of hot or cold binary stars in interaction, find a counterpart in the applied physics and close to industrial problems related to the physics of hyperenthalpic flows of collisional plasma in shock tubes or around natural or man-made bodies entering at very high speeds in the planetary atmospheres. During atmospheric reentries, a bow shock is created at the front of the space vehicule. The plasma in the shock layer is highly collisional, and the wall heat fluxes are dominated by the radiative heat fluxes coming mainly from the continuum. It is necessary to take into account the coupling between the flow and radiation. For high Mach numbers, the plasma in the shock layer is in thermochemical and radiative nonequilibrium. Collisional (collisions between heavy particules and electronic collisions) and radiative (emission and absorption of radiation) processes have to be completely coupled. Counter to the most frequently used hypothesis, each atomic electronic level is considered as a distinct species. Collisional and radiative processes are present in the equations of species mass conservation as source terms. A radiative flux divergence term is present in the equation of total energy conservation of the gas mixing. An implicit finite volume method is used for the system of equations treatment. The calculation of numerical jacobian is necessary for the chemical source terms linearization. An atmospheric reentry calculation for a speed of 15 km/s has been performed, and shows up the plasma thermochemical nonequilibrium. A decrease of the distance between the shock and the body shows the importance of radiation on the shock layer structure

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Coumar, Sandra. « Etude des mécanismes physiques induits pas un actionneur plasma appliqué au contrôle d’écoulements raréfiés super/hypersoniques dans le cadre de rentrées atmosphériques ». Thesis, Orléans, 2017. http://www.theses.fr/2017ORLE2025/document.

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Ces dernières années, les missions spatiales bénéficient d'un regain d'intérêt. Cependant, lorsqu’arrive laphase d’entrée dans l’atmosphère, nous faisons encore face à d’importantes difficultés. Afin de répondre àce problème, une nouvelle technique est proposée : le contrôle par plasma pour augmenter la force detraînée sur le véhicule et ainsi, décroître sa vitesse. Dans cette thèse, un actionneur plasma est testé danstrois écoulements supersoniques (N1(M2-8Pa), N2(M4-8Pa) and N3(M4-71Pa)) et un hypersonique (M20-0.062Pa), ces écoulements étant simulés par la soufflerie MARHy.L’actionneur plasma induit des modifications de l’écoulement autour du modèle étudié, comme unemodification de la géométrie de l’onde de choc et une augmentation de l’angle de choc. Afin de mieuxcomprendre les phénomènes gouvernant ces modifications, la pression Pitot, la température surfacique etvolumique, les données électroniques et des mesures spectroscopiques ont été analysées. Les résultatsmontrèrent que deux types d’effets interviennent : thermiques (surface et volume) et l’ionisation. De plus, il aété démontré que ces effets n’ont pas la même importance suivant les conditions d’écoulements.L’actionneur plasma lui-même a été modifié dans un but d’amélioration. En particulier, deux types degénérateurs ont été étudiés pour alimenter la cathode : DC et pulsé. Finalement, il est montré que pour unepuissance de décharge de 80 W, une augmentation de 13% de la traînée et donc, une diminution de plus de25% des flux de chaleur peuvent être attendus. Par conséquent, les actionneurs plasma semblent être descandidats idéaux pour les missions spatiales et les (r)entrées atmosphérique
Space missions are arousing renewed interest in these recent years. However, when coming to the entryinto the atmosphere, major issues are still to be considered. To answer this problem, a new Entry DescentLanding technique is proposed: plasma actuation to increase the drag force over the vehicle body and thus,decrease its speed. In this thesis, a plasma actuator is tested in three supersonic rarefied flows (N1(M2-8Pa), N2(M4-8Pa) and N3(M4-71Pa)) and a hypersonic one (M20-0.062Pa), all generated by the wind tunnelMARHy.The plasma actuator induces flow modifications over the studied model, such as a change in the shock waveshape and an increase in the shock wave angle. In order to better understand the phenomena governingthese modifications, Pitot pressure, surface and gas temperature, electron data and spectroscopicmeasurements were analyzed. The results shown that two types of effects are involved: thermal (bulk andsurface) and ionization. Moreover, it was demonstrated that these effects had not the same importancedepending on the flow conditions.The plasma actuator was also modified in order to improve it. In particular, two types of generators wereused to biase the cathode: DC and pulsed. Finally, it was shown that, for a discharge power of 80 W, a 13%increase in the drag force could be expected and thus, a decrease in the heat load over the model body ofmore than 25%. Therefore, plasma actuators seem to be promising applications for space missions andatmospheric entries

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Yadala, Venkata Srikar. « Plasma-flow interfaces for instability control ». Thesis, Poitiers, 2020. http://www.theses.fr/2020POIT2292.

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Résumé :

La recherche présentée dans cette thèse se concentre sur la conception et l’utilisation d’actionneurs plasma à décharge à barrière diélectrique (DBD) de faible épaisseur et à géométrie complexe afin d’exercer un contrôle d’instabilité sur deux configurations d’écoulement dont la dynamique est régie par des mécanismes d’instabilités primaires et/ou secondaires. Le cas d’une couche limite tridimensionnelle telle que rencontrée sur une aile en flèche est étudié à l’aide de deux stratégies de forçage permettant de manipuler la transition induite par un phénomène d’instabilité stationnaire. Ici, un réseau d’éléments de rugosité discrets (DRE) est installé en amont du forçage par DBD afin de verrouiller l’origine et l’évolution des tourbillons stationnaires transversaux de la couche limite. La première approche de forçage consiste à modifier l’écoulement amont par déformation (UFD). Une seconde approche par modification directe de l’écoulement de base est également introduite (BFM). Un retard de transition est observé indépendamment du forçage réalisé. Cependant, comme les tourbillons transverses sont fortement amplifiés en raison de l’utilisation de DRE, l’action par approche UFD peut conduire à la fois à une atténuation directe des structures fluidiques transverses telle qu’envisagée mais aussi à une action non intentionnelle sur la nature inflectionnelle de l’écoulement de base. La méthode BFM résulte en une interaction directe sur les tourbillons transverses, interactions confirmées par une étude théorique de l’instabilité sous l’effet d’un modèle simplifié d’actionneur DBD. Il s’agit de la première démonstration expérimentale du retard de transition sur une aile en flèche grâce à l’effet d’un actionneur plasma et également à la première preuve de concept expérimentale de la stratégie BFM.Le sillage d’une couche de mélange plane à bord épais et les phénomènes d’instabilité primaire et secondaire responsables pour l’expansion spatio-temporelle du sillage sont également étudiés. Des conditions de forçage fréquentiel puis spatial sont successivement testées et analysées par approche spectrale (décomposition orthogonale spectrale, SPOD) sur des données expérimentales de PIV multi-champs résolues en temps. L’instabilité primaire est excitée par un forçage spatialement homogène pulsé à la fréquence naturellement la plus amplifiée. Ce forçage l’atténue les instabilités aux sous-harmoniques et inhibe l’appariement tourbillonnaires. A l’inverse, le forçage aux sous-harmoniques renforce les phénomènes d’appariement conduisant à un fort taux d’épanouissement de la couche de mélange. Enfin, l’effet d’un forçage modulé spatialement se traduit par un taux d’accroissement variant selon la position transverse et qui traduit à la fois le renforcement et la modulation spatiale des structures à grande échelle. La segmentation du forçage selonl’envergure de la couche de mélange permet toujours de modifier les structures transverses mais en sus, la coalescence des structures longitudinales et transversales est favorisée.Les travaux de recherche réalisés confirment la capacité des actionneurs plasma de type DBD à exercer un forçage modulé à la fois temporellement et spatialement. La large réduction de la puissance électrique consommée dans le cas d’un forçage modulé spatialement permet une amélioration notable de l’efficacité du système de contrôle
The research presented in this thesis focuses on the design and use of dielectric barrier discharge (DBD) plasma actuators with thin and complex geometry electrodes to exert instability control on two flow configurations whose dynamics are governed by primary and/or secondary instability mechanisms.The case of a three-dimensional boundary layer as encountered on a swept wing is studied using two forcing strategies to manipulate the transition induced by a stationary instability phenomenon. Here, an array of discrete roughness elements (DRE) is installed upstream of the DBD forcing in order to lock the origin and evolution of the stationary cross-flow (CF) vortices in the boundary layer. The first forcing approach is upstream flow deformation (UFD). The second approach based on direct modification of the base flow is also introduced (BFM). Independent of the forcing applied, a transition delay is observed. However, as the CF vortices are strongly amplified due to the use of DRE, the action by UFD approach can lead both to a direct attenuation of the CF vortices as envisaged but also to an unintentional action on the inflectional nature of the base flow. The BFM method results in a direct attenuation of the CF velocity component, which is also confirmed by a theoretical study of instability under the effect of the DBD actuator through a simplified model. This is not only the first experimental demonstration of transition delay on a swept wing using plasma actuators, but also the first experimental proof of concept of the BFM strategy.The wake of a plane mixed layer with a thick edge and the primary and secondary instability phenomena responsible for the spatio-temporal expansion of the wake are also studied. Frequency and then spatial forcing conditions are successively tested and analysed by spectral approach (spectral proper orthogonal decomposition, SPOD) on experimental data from multi-field time-resolved particle image velocimetry. The primary instability is excited by a spatially uniform forcing pulsed at the naturally most amplified frequency. It is shown that the mean component of the flow is not modified while the spectral content of the mixing layer is largely affected. This forcing leads, in particular, to the inhibition of the pairing of vortical structures due to the attenuation of sub-harmonic instabilities. Conversely, direct forcing of sub-harmonic instabilities results in a reinforcement of the pairing phenomena, leading to a higher growth rate of the mixing layer. Finally, spatially modulated forcing results in a growth that varies according to the spanwise position, which reflects both the reinforcement and the spatial modulation of large-scale spanwise structures. The modulation of the forcing according to the scale of the mixing layer always allows the modification of the spanwise structures but in addition, the coalescence of the streamwise and spanwise structures is favoured.The research work carried out confirms the ability of DBD plasma actuators to exert a forcing modulated both temporally and spatially. The proposed actuators allow only a partial control of the instability phenomena in the three-dimensional boundary layer while the high receptivity of the initial region of a mixing layer has led to significant results both on the dynamics of spanwise and streamwise coherent structures. Thanks to a large reduction of the electrical power consumed in the case of spatially modulated forcing, the efficiency of the control system is greatly improved

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Magnier, Pierre. « Etude expérimentale du contrôle d'écoulements aérodynamiques subsoniques par action de plasmas froids surfaciques à pression atmosphérique ». Phd thesis, Université d'Orléans, 2007. http://tel.archives-ouvertes.fr/tel-00264817.

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Résumé :

Le contrôle actif des écoulements aérodynamiques est l'un des enjeux majeurs actuellement en aérodynamique afin de réduire la traînée, augmenter la portance, contrôler les instabilités. Dans ce contexte, l'objet de ce travail est d'utiliser des actionneurs plasmas en caractérisant leurs propriétés physiques et leurs effets sur des écoulements. Deux configurations ont été utilisées : les décharges surfaciques "couronne" et "à barrière diélectrique" (DBD). Des mesures électriques et optiques montrent que ces plasmas sont une succession de micro-décharges. Le "vent ionique" induit par ces actionneurs est instationnaire, de faible vitesse (quelques m/s) et fortement dépendant des configurations géométriques et électriques. Cette propriété mécanique a été utilisée pour modifier la couche limite se développant sur une plaque plane puis sur des profils d'aile. Une succession de DBD a permis de déclencher précocement la transition laminaire-turbulente de la couche limite. Les décollements de bord d'attaque de l'écoulement de profils ont été retardés voire supprimés. Enfin, de nouveaux types d'actionneurs sont développés : une DBD alimentée par une haute tension impulsionnelle et des jets de plasmas perpendiculaires à la paroi.

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Lamet, Jean-Michel. « Transferts radiatifs dans les écoulements hypersoniques de rentrée atmosphérique terrestre ». Phd thesis, Ecole Centrale Paris, 2009. http://tel.archives-ouvertes.fr/tel-00453309.

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Résumé :

Le dimensionnement des protections thermiques des véhicules spatiaux nécessite la connaissance des flux de chaleur à la surface de l'engin. Pour le type de rentrée atmosphérique étudié dans ces travaux (rentrée terrestre à 10-12 km/s ou plus), le rayonnement contribue de manière significative à l'échauffement pariétal. Nous présentons dans cette étude, le développement et la mise en œuvre de modèles et d'outils numériques permettant de prédire les transferts radiatifs dans les couches de choc de rentrée terrestre hors d'équilibre en géométrie multi-dimensionnelle. Nous avons d'abord formulé dans une approche raie par raie l'expression des propriétés radiatives relatives à des plasmas de N2-O2 hors d'équilibre. Cette formulation est adaptée à une modélisation multi-température et/ou une modélisation par niveau électronique du déséquilibre thermique. Les expressions obtenues ont été mises en œuvre sur le cas d'épreuve FIRE II afin de déterminer les luminances au point d'arrêt pour quatre points de trajectoire. Les résultats montrent un bon accord global avec les données en vol dans les différents intervalles de mesure allant de l'IR à l'UV, hormis pour le point de rentrée le plus hors d'équilibre. Les calculs montrent également que la partie VUV du spectre contribue de manière très importante à la luminance à la paroi et que la prise en compte du déséquilibre chimique est primordiale. Un modèle approché de propriétés radiatives a ensuite été développé sur la base d'un modèle statistique à bandes étroites (MSBE) pour les systèmes électroniques moléculaires optiquement non minces (dans notre application), d'un modèle à coefficients d'émission et d'absorption moyennés par bande étroite pour les systèmes électroniques optiquement minces et les continua, et d'une approche raie par raie pour les transitions lié-lié atomiques. La mise en œuvre de cette modélisation hybride a nécessité une formulation adaptée de l'ETR pour tenir compte du déséquilibre et des corrélations spectrales. Des validations systématiques du MSBE, contribution par contribution, ont été réalisées. Le modèle hybride a ensuite été validé sur le cas d'épreuve FIRE II par rapport à des calculs raie par raie. Le modèle hybride a été implémenté dans le solveur radiatif ASTRE, code basé sur une approche de Monte Carlo. L'implémentation a été validée par rapport à une méthode de lancer de rayons sur une con_figuration plans tangents. Des calculs 3D de rayonnement ont ensuite été réalisés sur le cas d'épreuve FIRE II. Les résultats montrent des écarts de l'ordre de 10-15 % sur les flux au point d'arrêt par rapport aux résultats obtenus dans l'approximation des plans tangents habituellement utilisée dans la littérature. Les outils développés permettent d'obtenir des résultats relativement bien convergés (5 %) en géométrie tri-dimensionnelle (100000 cellules) en un temps CPU raisonnable permettant d'envisager des calculs couplés à terme.

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Bayoda, Kossi Djidula. « Propriétés électriques, optiques et mécaniques d'une décharge de surface à barrière diélectrique nanoseconde pulsée. Application à la mesure de vitesse pariétale et au contrôle des écoulements aérodynamiques ». Thesis, Poitiers, 2016. http://www.theses.fr/2016POIT2319/document.

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Résumé :

Cette thèse a pour but d'étudier une nouvelle décharge nanoseconde pulsée à barrière diélectrique basée sur 3 électrodes (SL-DBD pour « SLiding DBD » en anglais), de la comparer à la décharge nanoseconde conventionnelle utilisant 2 électrodes (NS-DBD), et d'évaluer sa capacité à être utilisée soit comme capteur de vitesse pariétale, soit comme actionneur électromécanique pour le contrôle d'écoulement. Dans la première partie, les propriétés électriques des deux décharges sont caractérisées, permettant ainsi d'identifier le paramètre électrique clé qui permet de passer d'un régime de décharge à un autre. Des visualisations par caméra intensifiée ont confirmé cette transition lorsque le champ électrique moyen devient supérieur à 6.5 kV/cm. Des diagnostiques mécaniques (Schlieren et mesures de pression) ont permis de caractériser précisément l'onde de pression générée par les deux décharges.Ensuite, l'influence d'un écoulement sur le comportement électrique de la SL-DBD a été étudiée, mettant en évidence que le courant « collecté » par l'électrode (3) était à peu près proportionnel à la vitesse de l'écoulement en proche paroi. Même s'il reste encore de nombreux points à vérifier, ce résultat encourageant permet d'envisager l'utilisation de la SL-DBD comme capteur de vitesse et/ou de frottement pariétal.Enfin, la troisième partie est consacrée à l'effet de la SL-DBD sur des écoulements aérodynamiques, dans le but de les manipuler. Plusieurs configurations ont été étudiées (profil d'aile, marche descendante, plaque plane) et les résultats ont permis de montrer la complexité des phénomènes physiques à l'origine du contrôle, sans pour autant pouvoir totalement les expliquer
This thesis aims to study new design of nanosecond pulsed dielectric barrier discharge in 3 electrodes configuration: the sliding discharge (SL-DBD), to compare it to the conventional nanosecond DBD in 2 electrodes geometry (NS-DBD) and to show also its capacity to be used as a friction velocity or wall shear stress sensor and to be used as electromechanical actuator for flow control.In its first part, the electrical properties of these two discharges are characterized and point out the key parameter governing the transition of one regime to another. The visualizations with an intensified camera confirm this transition when the mean electric field increases over 6.5 kV/cm. Therefore they extend further and cover the inter-electrode gap. Mechanical diagnostics (Schlieren and pressure measurements) characterize the pressure wave generated by these discharges. In the second part, the electrical characterization of the SL-DBD under flow conditions shows that the courant « collected » by the third electrode is almost proportional to the wall flow velocity. However, even if other studies needed to be performed, these encouraging results reveal the ability of the SL-DBD to be used as a friction velocity or a wall shear stress sensor. Finally, the third part is addressed to the effect of the SL-DBD on aerodynamics flows in order to manipulate them. Several configurations are studied (airfoil, backward facing step, flat plate) and the results have shown the complexity of the physicals phenomena governing the control authority, without being able to fully explain them

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Ranchy, Éric. « Etude des modes de transfert thermique dans les dépôts céramiques projetés par plasma ». Paris 10, 1995. http://www.theses.fr/1995PA100105.

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Les dépôts céramiques sont utilisés comme barrières thermiques dans les turbines aéronautiques ; cette étude consiste en l'analyse des deux modes principaux de transfert thermique qui sont la conduction et le rayonnement par semi-transparente (emission-absorbtion au sein du dépôt). Un montage expérimental est développé, permettant la mesure de la composante périodique de la température d'un échantillon soumis à un flux périodique, à haute température et sous gradient thermique. Les paramètres conduisis (conductivité, diffusivité) sont déterminés par identification de la fonction de transfert mesure. Cette approche permet l'optimisation de l'appareillage expérimental et de la chaine de mesure. Le transfert par rayonnement est mis en évidence par la mesure des profils thermiques sur l'épaisseur du dépôt d'épaisseur 300 à 500 m. Ces profils sont mesures a haute température en régime stationnaire ou périodique. Cette mesure nécessite le développement d'un pyromètre à résolution élevée (de l'ordre du micron).

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Préauchat, Boris. « Élaboration et caractérisation de barrières thermiques à base de zircone obtenues par dépôt chimique en phase vapeur assisté par un plasma micro-ondes : mise au point du procédé, propriétés physiques et stabilité des revêtements vis-à-vis du vieillissement thermique ». Vandoeuvre-les-Nancy, INPL, 2001. http://docnum.univ-lorraine.fr/public/INPL_T_2001_PREAUCHAT_B.pdf.

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Cette étude a consisté dans un premier temps à parfaire la mise au point d'un réacteur de dépôt chimique en phase vapeur assisté par un plasma micro-ondes pour l'élaboration de barrières thermiques en zircone yttriée. Il a donc été procédé à l'analyse des faiblesses du réacteur existant de manière à atteindre des vitesses de dépôt supérieures à 250 μm par heure (sur substrat plan de diamètre 20 mm). Le nouveau système d'évaporation et d'injection des vapeurs de précurseurs a été conçu pour permettre leur mélange homogène et l'obtention de dépôts uniformes en épaisseur et en teneur en yttrine. La génération du plasma micro-ondes a été revue pour rendre ce dernier également actif dans l'enceinte de dépôt. Un nouveau porte-substrat a aussi été mis au point pour explorer les morphologies de dépôt réalisés entre 500°C et 900°C. Ensuite, une fois les conditions optimales de dépôt définies, l'étude de trois morphologies de dépôts de zircone partiellement stabilisée à l'yttrine, obtenues à 500°C, 700°C et 900°C, a été entreprise par microscopie électronique à balayage et par diffraction des rayons X. Il a été mis en évidence une croissance de type dendritique des colonnes composant les dépôts obtenus à haute température de substrat suivant la direction [100] de la phase quadratique t' "métastable". La stabilité des morphologies obtenues à 700°C et 900°C vis-à-vis de traitements entre 1100°C et 1400°C se révèle satisfaisante. L'étude de l'évolution de la cristallographie de ces dépôts avec les traitements isothermes a conduit à la proposition d'un schéma de déstabilisation de la phase quadratique métastable. Les mesures de la porosité, de la rugosité et de la conductivité thermique, ainsi que l'estimation de la résistance au cyclage thermique de ces revêtements, sont venues compléter la caractérisation microstructurale et cristallographique. Les propriétés physico-chimiques de ces revêtements de zircone yttriée permettent assurément d'envisager pour des applications de type barrière thermique
A reactor for manufacturing zirconia-based thermal barrier coatings by microwave plasma enhanced chemical vapour deposition has been optimised. Deposition rates higher than 250 μm/h have been achieved (on 20 mm diameter plane substrates). A new evaporation and gas injection deviee has been designed to obtain coatings exhibiting uniform thickness and yttria content. Plasma activity has been homogenised. A new sample-holder has been designed to investigate coating morphologies at deposition temperature between 500°C and 900°C. Once optimum deposition parameters were defined, three morphologies of yttria partially stabilised zirconia coatings were studied by scanning electron microscopy and X-ray diffraction. A dendritic growth of columns of the tetragonal nontransformable t' phase along the [100] direction at high deposition temperature was observed. The coatings deposited at 700°C and 900°C exhibited satisfactory stability towards isothermal heat treatments at 1100°c to 1400°C. Using X-ray diffraction analysis, a destabilisation scheme of the metastable " t' " phase has been proposed. Investigations of the coating porosity, roughness, thermal conductivity and resistance towards thermal cycling supplemented this microstructural and crystallographic study. These properties would allow the use of these yttria-zirconia coatings in typical thermal barrier applications

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Nusair, Khan Aamer. « Etude des barrières thermiques réalisées par la projection au plasma atmosphérique ». Troyes, 2003. http://www.theses.fr/2003TROY0006.

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Résumé :

Le système de barrière thermique (TBC) se compose de deux parties, un dépôt métallique sur un substrat et un revêtement céramique (typiquement zircone stabilisé par oxyde d'yttrium) sur la surface de la couche métallique. Ce système fournit une barrière thermique et anti-oxydante entre les gaz chauds du moteur et l'aube de la turbine. A ce jour le TBC n'est utilisé que pour augmenter la durée de vie des composants, il ne contribue pas à augmenter la température de service des moteurs. Cependant, le développement d'un système plus performant pourra permettre d'augmenter la température d'utilisation et ainsi améliorer les performances des moteurs. Dans cette étude, différents systèmes de TBC ont été réalisés par la technique de projection au plasma atmosphérique sur des substrats de superalliage et d'acier inoxydable. Différents aspects des TBC ont été étudiés, comme la microstructure, la fissuration et l'écaillage, les contraintes résiduelles et la ténacité interfaciale entre les différentes couches en fonction des différents paramètres. Une bonne qualité des TBC a été obtenue avec une épaisseur de 530 æm sur les substrats de superalliage et d'acier inoxydable. La température finale et la distance entre le substrats et la torche plasma ont été reconnus comme les paramètres les plus influents. La comparaison de nos résultats avec ceux d'autres chercheurs montre que nos systèmes de TBC, réalisés grâce à la technique de projection au plasma atmosphérique sont de meilleure qualité
Thermal barrier coating (TBC) system consists of a metal bond coat and a ceramic topcoat (typically yttria stabilized zirconia). These coatings provide a thermal and oxidation barriers. These types of coatings are currently used only for component life extention at current operating temperatures. They are not used to increase the operating temperature of the engine. However, the developement of a TBC system, for which the probability of failure is sufficiently low, would allow these coatings to be used to increase the engine operating temperature and lead to significant improvement in engine performance. In this study different TBC systems were produced on the nickel base superalloy and stainless steel substrates by utilizing the air plasma spraying technique. Different TBC aspects were studied such as the role of microstructure and the residual stresses, the cracking and the spalling of TBCs under different conditions, and the interfacial thoughness between the different layers as a function of different parameters. A good quality TBC, with thickness up to 530 æm, were sprayed both on superalloy and stainless steel substrates. The final deposition temperature and the distance between the torch and the specimens were found as the more important paramters. An empirical equation was proposed relating the different spraying parameters and the number of thermal cycles. A comparison with different published results demonstrated that our TBC, produced by air plasma spraying, sustained more number of cycles

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Joussot, Romain. « Etude, caractérisation et amélioration d'un actionneur plasma : application au contrôle de la transition d'une couche limite de Blasius ». Phd thesis, Université d'Orléans, 2010. http://tel.archives-ouvertes.fr/tel-00623105.

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Le contrôle actif d'écoulement est une voie envisagée actuellement pour améliorer les caractéristiques aérodynamiques des véhicules aériens ou terrestres. La diminution de la traînée (force opposée au mouvement) est notamment visée, ce qui permettrait de baisser la consommation en énergie entraînant ainsi une réduction des émissions polluantes. Depuis une dizaine d'années, les actionneurs plasmas sont utilisés comme dispositifs de contrôle. À Orléans, ils sont basés sur l'utilisation d'une décharge à barrière diélectrique créant à sa surface un plasma qui induit un écoulement de quelques km h-1 : le vent ionique. L'actionneur plasma est caractérisé avec l'étude des différents régimes de décharge. Celui où des arcs énergétiques apparaissent est analysé. La température de surface de l'actionneur est également étudiée en fonction de plusieurs paramètres. Elle reste inférieure à 100 °C, ce qui confirme que les effets des actionneurs plasmas sur un écoulement ne sont dus qu'au vent ionique. Une caractérisation du vent ionique permet aussi de confirmer le lien entre le vent ionique et l'extension du plasma : deux phases distinctes existent, pendant lesquelles il est créé. Le contrôle de la transition d'une couche limite de Blasius est effectué sur une géométrie de type plaque plane. En fonction de la position de l'actionneur ou de la puissance consommée, le recul, le déclenchement précoce ou le cas sans effet est obtenu. Le mécanisme d'action est identifié et est lié à une excitation de l'écoulement qui devient plus ou moins sensible aux ondes de Tollmien-Schlichting. La fréquence de fonctionnement de l'actionneur apparaît comme le paramètre principal pour ce type de contrôle. Une nouvelle géométrie d'actionneur est proposée et caractérisée. La décharge conserve des propriétés identiques au cas classique et le sondage du vent ionique par un moyen de mesure 3D permet de montrer le gain en vitesse et l'existence de structures 3D susceptibles de contrôler plus efficacement un écoulement.

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Sheikh, Umar. « Re-entry radiation aerothermodynamics in the vacuum ultraviolet ». Thesis, Châtenay-Malabry, Ecole centrale de Paris, 2014. http://www.theses.fr/2014ECAP0036/document.

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Résumé :

L’un des défis majeurs pour la conception des capsules de rentrée concerne la modélisation des transferts convectifs et radiatifs à la surface du véhicule. A certains points des trajectoires de rentrée super-orbitale, jusqu’à 40% du flux radiatif total émane du domaine spectral VUV (vacuum ultraviolet), or c’est dans ce domaine que les incertitudes sont les plus fortes. Ce haut niveau d’incertitudes est dû en particulier à un manque de données expérimentales fiables. Le rayonnement VUV est en effet difficile à mesurer en raison de la forte absorption de l’air et des optiques utilisées pour sa mesure. Des difficultés d’analyse supplémentaires sont causées par le fort degré d’auto-absorption et par l’élargissement spectral des raies dans le VUV. L’objectif central de cette étude était d’obtenir des spectres d’émission expérimentaux calibrés dans le VUV afin d’étudier les processus physico-chimiques dans la couche de choc qui contrôlent le flux radiatif. Plus précisément, les objectifs étaient de comparer les spectres observés parallèlement et perpendiculairement à la couche de choc, d’étudier les effets sur l’intensité des raies spectrales émises dans le VUV de l’auto-absorption et de l’élargissement spectral en fonction de la profondeur de champ radiatif (épaisseur optique). Les mesures effectuées perpendiculairement et parallèlement à la surface d’une maquette placée dans l’écoulement représentent un premier jeu de données expérimentales calibrées dans le VUV qui seront utiles pour valider les codes de calcul destinés à prédire le flux radiatif incident. Les mesures obtenues pour différentes profondeurs de champ radiatif représentent quant à elles un ensemble de données expérimentales uniques pour la validation des modèles de transport radiatif et des coefficients d’élargissement des raies. Cette étude s’appuie également sur des simulations numériques afin d’évaluer les prédictions d’un solveur d’écoulement couplé à deux schémas cinétiques à travers la comparaison des spectres mesurés avec les spectres simulés par le code radiatif Specair. Pour atteindre ces objectifs, un banc optique a été conçu et mis en place pour mesurer l’intensité du rayonnement VUV produit autour d’une maquette bidimensionnelle émoussée, avec une résolution spatiale suffisante pour résoudre le profil d’émission dans la couche de choc. La résolution spatiale a été choisie de façon à pouvoir effectuer des mesures du rayonnement dans les zones d’équilibre et hors équilibre de la couche de choc. Un deuxième système a été conçu pour obtenir des mesures du rayonnement VUV incident sur la surface de la maquette. Ce système est constitué d’un hublot placé sur la surface de la maquette et d’un miroir logé à l’intérieur de la maquette pour transmettre le rayonnement vers le système de détection. La profondeur du champ radiatif peut être variée en modifiant la longueur de la maquette, ce qui change l’épaisseur de la couche de choc observée. Le tunnel à détente X2 a été utilisé pour créer les écoulements à haute enthalpie nécessaires pour produire les couches de choc émissives. Deux conditions d’écoulement ont été générées pour cette étude de façon à reproduire des vitesses équivalentes de vol de 10 et 12.2 km/s. Le système spectroscopique utilisé pour ces études comprend un spectromètre McPherson NOVA 225 sous vide couplé à une caméra ICCD Andor iStar de réponse renforcée dans le VUV. Un tube optique scellé par une fenêtre en fluorine a été installé pour prolonger le trajet optique sous vide jusqu’à la maquette de façon à éliminer l’absorption par l’oxygène moléculaire. Le système spectroscopique a été calibré in situ avec une lampe à deutérium placée à l’endroit de la couche de choc rayonnante. L’intensité spectrale incidente sur la surface de la maquette, intégrée entre 115 et 180 nm, est de 0,744 W/cm²sr pour une vitesse d’écoulement de 10 km/s et 12,3 W/cm²sr à 12.2 km/s. [...]
A major design challenge for re-entry capsules lies in the modelling of convective and radiative heat transfer to the surface of the vehicle. At certain points on superorbital re-entry trajectories, up to 40% of the total radiative heat flux is contributed by the vacuum ultra-violet (VUV) spectral range and it is in this spectral range that the largest uncertainties lie. The high level of uncertainty in the VUV is a result of a lack of published experimental data due to difficulties encountered in measuring radiation in the VUV, such as strong absorption by most optical materials and air. Additional complexities of the VUV spectral range include its strongly self-absorbing nature and spectral line broadening. The primary goal of this study was to obtain calibrated spectral measurements in the VUV that enable the investigation of physical processes occurring in the shock layer that influence the incident radiative heat flux. In particular, the issues to be investigated were the variation in spectral radiance observed across a shock layer compared to the spectral radiance measured through the surface, the effects of self-absorption on spectral line intensity and the broadening of spectral lines in the VUV as a function of depth of radiating flow field. The measurements made across and through the surface of a model provide the first set of calibrated experimental results for the validation of computational codes used to predict incident radiative heat flux. Measurements made with a varying depth of radiating flow field provide a unique set of experimental data for the validation of radiation transport models and broadening coefficients. This study also used computational simulations to investigate the accuracy of a flow field solver coupled with two reaction rate schemes and compared the spectra produced using Specair with experimentally measured values. To achieve these goals, an optical system was designed to measure the VUV radiative emission produced around a blunt two-dimensional model in a spatially resolved manner across the shock layer. Spatial resolution allowed for spectral measurements to be made in both the equilibrium and non-equilibrium parts of the shock layer. A second optical system was designed to obtain measurements of VUV radiation incident on the surface of the model. This system incorporated a window in the surface with a mirror housed within the model to deflect the radiation out of the test section and into the detection system. To effectively vary the depth of the radiating flow field, the length of a two-dimensional model was varied, changing the depth of the shock layer being observed. The X2 expansion tube was used to create the high enthalpy flows required to produce radiating shock layers. Two flow conditions were created for this study that represented flight equivalent velocities of 10.0 km/s and 12.2 km/s. The spectroscopy system utilized for this study consisted of an evacuated McPherson NOVA 225 spectrometer coupled to an Andor iStar VUV enhanced intensified charge coupled device. An evacuated light tube sealed with a magnesium fluoride window was required to extend the evacuated light path to the model and avoid any absorption by molecular oxygen. An in-situ calibration of the VUV spectroscopy system was conducted using a deuterium lamp located in the position of the radiating shock layer. The integrated incident spectral radiance measured through the surface of the model between 115 nm and 180 nm was 0.744 W/cm2 sr for the 10.0 km/s condition and 12.3 W/cm2sr for the faster 12.2km/s condition. [...]

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Dolmaire, Alice. « Développement de barrières thermiques anti-CMAS et non mouillantes par projection thermique de suspensions ». Thesis, Limoges, 2020. http://www.theses.fr/2020LIMO0039.

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Résumé :

Cette thèse s’inscrit dans le développement de nouvelles technologies capables de répondre aux exigences environnementales sévères des futurs turboréacteurs de l’industrie aéronautique. En particulier, les travaux s’attachent à proposer une nouvelle architecture de barrière thermique venant à recouvrir les aubes de turbine haute-pression, pièces métalliques exposées à des températures dépassant 1200°C. Cette architecture est un revêtement bicouche, élaboré par projection plasma de suspensions (SPS), composé d’une première couche colonnaire formée par de la zircone partiellement stabilisée à l’yttrine (YSZ) et d’une couche superficielle d’aspect dense contenant du zirconate de gadolinium (GZ) et une céramique non-oxyde. Ce bicouche se doit d’être résistant à la corrosion des particules siliceuses (CMAS) présentes dans l’atmosphère et de présenter des propriétés thermomécaniques en accord avec la fonction de barrière thermique. Une partie des études a mis en évidence le potentiel de barrière à la corrosion des CMAS du revêtement composite GZ – SiC, par la présence in situ d’un réservoir d’oxyapatite et de disilicate de gadolinium. La présence de carbure en surface du revêtement permettrait aussi de limiter grandement l’étalement du verre fondu d’un CMAS modèle jusque 1300°C. Le revêtement présente un comportement partiellement mouillant au CMAS, ce qui augmenterait la durée de vie de la couche superficielle. Le bicouche YSZ – GZ/SiC montre des propriétés analogues en termes de vieillissement thermique et de résistance à l’infiltration du CMAS. La caractérisation du comportement cinétique de particules submicroniques dans le jet plasma jusqu’à l’impact et l’évaluation des propriétés thermophysiques du plasma sur le traitement thermocinétique de ces dernières ont permis d’affiner les connaissances sur la croissance des revêtements colonnaires élaborés par SPS sur des surfaces à géométrie complexe. Un choix judicieux de conditions plasmagènes a permis l’obtention d’un bicouche offrant des propriétés thermomécaniques similaires aux barrières thermiques actuellement déployées sur les aubes de turbine haute-pression et élaborées par EB-PVD
This PhD work is involved in the development of new technologies capable of withstanding harshenvironmental constraints demanded to the aeronautical industry on new turbojets. A new architecture of thermal barrier coating, exposed to temperatures higher than 1200°C and meant to protect highpressure turbine blades, is suggested in this work. This architecture is a bilayer coating comprising a columnar layer made of yttria-partially stabilised zirconia (YSZ) and a superficial dense layer containing gadolinium zirconate (GZ) and one non-oxide ceramic. It is produced by an emerging process called suspensions plasma spraying (SPS). This bilayer has to be resistant to atmospheric siliceous particles (CMAS) and has to exhibit thermomechanical properties compliant with the thermal barrier coating application. One part of the studies highlights the potential for a CMAS corrosion barrier from the composite coating GZ – SiC, due to the existence of an in situ reservoir of gadolinium oxyapatite and disilicate. Surface carbide is also likely limiting the spreading of the model CMAS glass tested. The coating displays a partially wetting behaviour up to 1300°C. This could result in a higher lifetime of the superficial coating during service. Bilayer coating YSZ – GZ/SiC shows similar properties to thermal aging and CMAS infiltration resistance. Characterisation in the plasma jet of the submicronic particles kinetic behaviour upon impact on diverse surfaces and the evaluation of plasma thermophysical properties on particles’ thermokinetic treatment refined current knowledges on coating columnar growth produced by SPS on intricate surfaces. A judicious choice of plasma conditions led to the production of a bilayer coating showing similar thermomechanical properties to current EB-PVD thermal barrier coatings used on high-pressure turbine blades

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Selezneff, Serge. « Etude et développement de revêtements γ-γ' riches en platine élaborés par Spark Plasma Sintering (SPS). Application au système barrière thermique ». Thesis, Toulouse, INPT, 2011. http://www.theses.fr/2011INPT0100/document.

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Résumé :

Le système barrière thermique, permettant la protection des aubes mobiles des turbines aéronautiques, est un système dont l'élaboration est complexe et nécessite de nombreuses étapes. L'utilisation du spark plasma sintering (SPS) a permis de réaliser des systèmes barrière thermique complets en une étape unique. Au-delà des possibilités industrielles de cette méthode, le SPS s'est avéré un outil de recherche précieux pour rapidement tester un vaste champ de compositions et d'ajouts d'éléments réactifs. Les premier essais et la modélisation de la diffusion dans le SPS ont permis de prévoir les phases du revêtement suite à l'étape de SPS. Les travaux se sont ensuite focalisés sur l'optimisation d'une composition de sous couche γ-γ' riche en platine dopée avec des éléments réactifs sur un substrat d'AM1. L'analyse chimique des revêtements SPS a révélé des taux de pollutions en soufre et carbone extrêmement faibles. Au vu de l'influence néfaste de ces éléments sur la tenue en oxydation cyclique ces analyses mettent en valeur la qualité des revêtements élaborés. Les performances des sous couches dopées, avec notamment du hafnium, de l'yttrium et du zirconium ont été évaluées lors d'essais de cyclage thermique à 1100°C sous air. La composition de revêtement γ-γ' la plus prometteuse a ensuite été comparée au système industriel β-(NiPt)Al avec la même barrière thermique de zircone yttriée déposée par EBPVD et le même substrat d'AM1. Les résultats obtenus montre une meilleure durée de vie des systèmes TBC avec sous couches γ-γ'. Par contre la remontée importante des éléments du superalliage dans le revêtement influence la durée de vie du système TBC comme cela a été montré par des dépôts conduits sur d'autres nuances de superalliages à base de nickel. Ces résultats montrent que pour les revêtements γ-γ' la prise en compte du revêtement dans le développement d'un superalliage est essentielle
To protect turbines blades from excessive oxidation and to lower the temperature at the blade surface, a multilayer coating system has been developed in the past, i.e. the thermal barrier coating. The fabrication of TBC is expensive and demands numerous process steps. In this study, bond coatings have been fabricated by spark plasma sintering in a single step. This fast fabrication process permits to test a large range of bond coating compositions with different reactive elements such as Zr, Y and Hf on AM1 nickel base superalloy. From the first results, the data related to the diffusion during the SPS were calculated to predict the coating phases. Impurities levels were measured after SPS fabrication. Sulphur and carbon concentration were very low. These results highlight the great quality of coating made by spark plasma sintering, more particularly with a top coat also made by SPS. Then, a composition of γ-γ’ coating has been optimized for high life span during thermal cycling. The thermal cycling at 1100°C of TBC system with this optimized γ-γ’ bond coatings give better life span than the conventional system with β-(Ni,Pt)Al phase bond coating. After long thermal cycling, >1000*1h cycles, chemical elements from the substrate can diffuse in the thermally grown oxide, leading to its delamination. Thus, for increasing the life span of the whole system the bond coating has to be considered during the superalloy development

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Guinard, Caroline. « Influence des propriétés morphologiques et mécaniques des barrières thermiques sur la fissuration interfaciale induite par perçage laser impulsionnel ». Thesis, Paris Sciences et Lettres (ComUE), 2016. http://www.theses.fr/2016PSLEM068/document.

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Résumé :

De nombreuses pièces aéronautiques telles que les chambres de combustion sont percées d'une multitudes de trous de refroidissement. Ce perçage, généralement effectué par un laser de puissance peut induire des endommagements dans la matière percée. Sur les systèmes barrières thermiques, une fissuration pouvant conduire à l'écaillage de la barrière thermique se produit à l'interface céramique/sous-couche lors du perçage laser. Cette thèse présente des éléments de compréhension des phénomènes de formation et de propagation de la fissure interfaciale. Pour cela, un protocole spécifique a été utilisé, consistant en la réalisation de perçage interrompus. De plus, afin de comprendre l'influence de la sous-couche et de l'interface sous-couche / céramique sur cette fissuration, une large gamme d'échantillons aux propriétés morphologiques et mécaniques bien distincts ont été sélectionnés. Pour cela, la sous-couche a été modifiée par la variation des paramètres de projection, du procédé de projection ainsi que par des post traitements sur la sous-couche. Le lien entre ces interfaces et les endommagements liés au perçage laser sont présentés au travers d'observations 2D et 3D, destructives et non destructives ainsi que par l'étude des modifications des contraintes résiduelles avant et après perçage laser pour différentes barrières thermiques. De manière a réduire encore la fissure interfaciale, plusieurs stratégies de perçage sont étudiées via la variation de la puissance laser entre les différentes impulsions laser nécessaires pour percer le matériau multicouches. Les résultats obtenus offrent des perspectives intéressantes pour améliorer la résistance à la fissuration des pièces aéronautiques
Many aircraft engines parts such as combustion chambers are drilled with numerous cooling holes. These holes, generally performed by a high power laser machine can induce damages in the part materials. On thermal barrier coatings systems, cracking can lead to spalling of the coating occurs at the ceramic / bond-coat layer interface during laser drilling. This thesis presents elements of understanding of the interfacial crack formation end propagation phenomena. In this purpose, a specific protocol was used, consisting of interrupted drilling process. Moreover, in order to understand the influence of the bond coat and the ceramic / bond coat interface on cracking, a wide range of samples with specific morphological and mechanical properties were selected. With this in mind, the bond coat was modified by varying spraying parameters, spraying process and also by post treatments on the bond coat. The link between these interfaces and the associated damages due to laser drilling are presented through 2D and 3D observations, destructive and non-destructive, as well as the study of residual stress modification before and after laser drilling for several thermal barrier coatings systems. For further reducing the interfacial crack, several drilling strategies are considered through the laser peak power variation between the different laser pulses needed to drill through the multi-layer material. The results offer interesting perspectives for improving crack resistance of aeronautical engines parts

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Thèses sur le sujet « Aérodynamique des plasmas »

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