Etude et développement d'un actionneur plasma à décharge à barrière diélectrique PDF Download
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La Décharge à Barrière Diélectrique (DBD) employée ici consiste en une décharge électrique établie dans l’air à pression atmosphérique à la surface d’un isolant. Cette décharge ionise l’air ambiant environnant, et les espèces chargées générées soumises à la force de Coulomb induisent, par transfert de quantité de mouvement, un écoulement appelé vent électrique. Récemment, la capacité de ce type de dispositif à contrôler un écoulement subsonique autour de profils aérodynamiques a été mise en évidence. La DBD employée dans ce sens est appelée actionneur plasma. Ces actionneurs peuvent modifier les écoulements de couche limite en proche paroi par l’intermédiaire du vent électrique. Le but de la thèse est d’améliorer les performances aérodynamiques d’une aile, soit en augmentant sa portance, soit en réduisant sa traînée ou bien encore en retardant le décrochage du profil. Le travail réalisé se divise en deux grandes parties. La première partie a consisté à développer puis optimiser une décharge à barrière diélectrique afin de mieux comprendre son fonctionnement. Pour cela, une étude paramétrique a été effectuée, en faisant varier les grandeurs électriques, physiques et géométriques. Des mesures électriques et mécaniques ont été réalisées, puis des grandeurs électromécaniques comme le rendement par exemple ont été estimées et comparées. Ces différentes études ont permis de définir un ensemble de paramètres permettant d’obtenir une DBD optimum en termes de génération de vent électrique et de fiabilité. La seconde partie a consisté à intégrer l’actionneur plasma optimisé sur un profil symétrique NACA 0015, et de tester son efficacité dans un écoulement d’air allant jusqu’à 40 m/s. Pour cela, des mesures Particle Image Velocimetry (PIV) de l’écoulement autour du profil et des pesées aérodynamiques ont été réalisées sans, puis avec contrôle. L’influence de différents paramètres (fréquence et intensité de l’excitation, mode en fonctionnement) a été étudiée. Il a été mis en évidence une modification de l’écoulement sous les effets du contrôle qui favorise soit le processus de recollement de la couche limite ou soit le décollement. L’efficacité des actions continue et instationnaire de l’actionneur a été comparée. Modulée par une fréquence adimensionnelle F+, le mode instationnaire présente des résultats équivalent voire supérieur au mode continu tout en réduisant la consommation spécifique de la DBD.
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La Décharge à Barrière Diélectrique (DBD) employée ici consiste en une décharge électrique établie dans l’air à pression atmosphérique à la surface d’un isolant. Cette décharge ionise l’air ambiant environnant, et les espèces chargées générées soumises à la force de Coulomb induisent, par transfert de quantité de mouvement, un écoulement appelé vent électrique. Récemment, la capacité de ce type de dispositif à contrôler un écoulement subsonique autour de profils aérodynamiques a été mise en évidence. La DBD employée dans ce sens est appelée actionneur plasma. Ces actionneurs peuvent modifier les écoulements de couche limite en proche paroi par l’intermédiaire du vent électrique. Le but de la thèse est d’améliorer les performances aérodynamiques d’une aile, soit en augmentant sa portance, soit en réduisant sa traînée ou bien encore en retardant le décrochage du profil. Le travail réalisé se divise en deux grandes parties. La première partie a consisté à développer puis optimiser une décharge à barrière diélectrique afin de mieux comprendre son fonctionnement. Pour cela, une étude paramétrique a été effectuée, en faisant varier les grandeurs électriques, physiques et géométriques. Des mesures électriques et mécaniques ont été réalisées, puis des grandeurs électromécaniques comme le rendement par exemple ont été estimées et comparées. Ces différentes études ont permis de définir un ensemble de paramètres permettant d’obtenir une DBD optimum en termes de génération de vent électrique et de fiabilité. La seconde partie a consisté à intégrer l’actionneur plasma optimisé sur un profil symétrique NACA 0015, et de tester son efficacité dans un écoulement d’air allant jusqu’à 40 m/s. Pour cela, des mesures Particle Image Velocimetry (PIV) de l’écoulement autour du profil et des pesées aérodynamiques ont été réalisées sans, puis avec contrôle. L’influence de différents paramètres (fréquence et intensité de l’excitation, mode en fonctionnement) a été étudiée. Il a été mis en évidence une modification de l’écoulement sous les effets du contrôle qui favorise soit le processus de recollement de la couche limite ou soit le décollement. L’efficacité des actions continue et instationnaire de l’actionneur a été comparée. Modulée par une fréquence adimensionnelle F+, le mode instationnaire présente des résultats équivalent voire supérieur au mode continu tout en réduisant la consommation spécifique de la DBD.
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Ce travail s'inscrit dans le cadre du développement d'un procédé de traitement de surface par Décharge à Barrière Diélectrique (DBD) à pression atmosphérique. Une DBD est une source de plasma hors équilibre thermodynamique caractérisée par la présence d'au moins un diélectrique dans le passage du courant, permettant d'éviter la transition à l'arc. Le régime normal de fonctionnement d'une DBD est filamentaire : les répartitions spatiales et temporelles de l'énergie sont fortement inhomogènes, ce qui n'est pas compatible avec la réalisation d'un traitement de surface. Cependant, il est possible d'obtenir une décharge homogène (similaire à celles obtenues à basse pression) dans certaines conditions (excitation électrique, configuration d'électrodes, ...) mais uniquement à faible puissance. L'objectif de cette étude est d'une part d'améliorer le transfert de puissance dans la décharge et d'autre part de comprendre les mécanismes de transition du régime homogène au régime filamentaire.
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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.
Author: Pierre Audier Publisher: ISBN: Category : Languages : fr Pages : 0
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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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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 eté, 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.
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FACE AUX PROBLEMES D'ENVIRONNEMENT CROISSANTS, ON ASSISTE AU DEVELOPPEMENT DE NOUVEAUX PROCEDES DIT D'OXYDATION AVANCEE, QUI UTILISENT LA FORTE REACTIVITE DES PLASMAS HORS-EQUILIBRE POUR TRAITER DES EFFLUENTS GAZEUX POLLUES. CETTE ETUDE SE PLACE DANS CETTE THEMATIQUE, ET CONCERNE LE DEVELOPPEMENT ET LA CARACTERISATION DE DIFFERENTS TYPES DE DECHARGES A BARRIERE DIELECTRIQUE (DBD) EN MODE IMPULSIONNEL DECLENCHE POUR LA SYNTHESE D'ESPECES OXYDANTES (OH ET O#3). APRES DES EXPERIENCES PRELIMINAIRES DE SYNTHESE D'OZONE AVEC UN REACTEUR DBD FIL/CYLINDRE, DEUX SYSTEMES (ANNULAIRE ET SURFACE) ONT ETE DEVELOPPES SPECIFIQUEMENT POUR CETTE APPLICATION. LE REACTEUR DECHARGE DE SURFACE (DS) S'EST REVELE PARTICULIEREMENT EFFICACE (O#3 = 180 G/M#3 ET RENDEMENT = 3.7%). DANS UN DEUXIEME TEMPS, LES RAYONNEMENTS UV ISSUS DES RADICAUX HYDROXYL OH(A-X) DANS LES MELANGES ARGON VAPEUR D'EAU ONT FAIT L'OBJET D'UNE ETUDE DETAILLEE. LA MAITRISE DE CES EMISSIONS A PERMIS LE DEVELOPPEMENT D'UN DIAGNOSTIC SIMPLE ET PEU ONEREUX DE MESURE DE CONCENTRATION DES RADICAUX OH(X). APRES VALIDATION, CETTE TECHNIQUE BASEE SUR L'ABSORPTION DE RAYONNEMENT AUTO-ACCORDE, A ETE EXPLOITEE DANS UNE ETUDE PARAMETRIQUE DE PRODUCTION DES RADICAUX OH(X) DANS DES MELANGES HUMIDES (ARGON ET AIR). UN DERNIER VOLET A ETE CONSACRE A LA MISE EN OEUVRE D'UN REACTEUR DOUBLE ENVELOPPE DOUBLE DECHARGE (RDED#2). APRES UNE CARACTERISATION DES RAYONNEMENTS VUV ISSUS DE DECHARGES DANS LE XENON, LA PRODUCTION D'ESPECES OXYDANTES A ETE ETUDIEE DANS UNE DECHARGE D'AIR HUMIDE AVEC ET SANS L'ASSISTANCE DE LA DECHARGE ANNEXE (XENON). DANS LA SUITE, DES EXPERIENCES ONT ETE REALISEES POUR TENTER DE METTRE EN EVIDENCE LES PRINCIPAUX CANAUX DE DESTRUCTION D'UN POLLUANT (TCE), ET EN PARTICULIER DETERMINER L'IMPACT DES ESPECES RADICALAIRES (O, OH) SUR LA CONVERSION DU TCE ET LA NATURE DES SOUS-PRODUITS GENERES.
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Chaque année, environ 1,5 million de patients requièrent un remplacement vasculaire en réponse à une athérosclérose avancée, causant le rétrécissement interne des vaisseaux sanguins. Malheureusement, encore aujourd'hui les matériaux synthétiques utilisés pour remplacer les artères de petits diamètres (inférieurs à 6 mm) restent associés à un haut taux d'échecs, démontrant ainsi un manque de biocompatibilité certain. L'une des principales complications observées est l'hyperplasie néointimale artérielle caractérisée par l'obstruction du vaisseau sanguin due à la prolifération tridimensionnelle de cellules sur la paroi interne de la prothèse. Différentes stratégies visant à limiter cette réaction naturelle sont aujourd'hui envisagées, notamment l'utilisation d'un système à libération contrôlée de médicament intégré localement aux prothèses vasculaires. En parallèle, l'essor des technologies plasma a permis de montrer qu'il était possible de revêtir la surface de matériel biomédical pour améliorer son interaction avec un environnement biologique. La stratégie consiste à utiliser l'énergie et la réactivité d'un plasma pour polymériser un précurseur gazeux. En sélectionnant la structure moléculaire du précurseur et les conditions expérimentales du plasma appropriées, il est possible de déposer un polymère plasma à la surface du matériel sélectionné pour lui conférer des propriétés sur mesure. C'est dans ce contexte que cette thèse a consisté à synthétiser, à l'aide d'un plasma, une matrice polymère plasma biodégradable pour revêtir la paroi interne d'une prothèse vasculaire, dans le but d'y incorporer un médicament choisi de façon à limiter l'hyperplasie néointimale. Ce projet a permis d'une part de réaliser une preuve de concept en déposant un revêtement polymère plasma dégradable par décharge à barrière diélectrique en configuration planaire. En utilisant le lactate d'éthyle en tant que précurseur et après de nombreuses analyses, des conditions de dépôt optimales ont pu être élues pour leur potentiel dans le cadre d'applications vasculaires. D'autre part, grâce à une caractérisation approfondie de la décharge, une corrélation étroite entre la physico-chimie du plasma et les dépôts dégradables obtenus a pu être établie. Afin d'élargir les possibilités de vitesse de dégradation, l'influence d'une alimentation impulsionnelle sur la décharge et sur le dépôt a de plus été étudiée. Si la manière d'apporter l'énergie a eu une forte influence sur la décharge, aucune influence majeure n'a été notée sur la chimie et la morphologie des dépôts faits à partir de lactate d'éthyle. Enfin, la construction d'un réacteur plasma tubulaire permettant de déposer la matrice développée à l'intérieur de prothèses artérielles a permis de s'étendre aux conditions réelles de dépôt. Dans l'ensemble, ce projet de recherche a mis en évidence le potentiel des procédés plasma pour le développement de matrices polymères plasma dégradables, notamment dans le cadre de systèmes à libération contrôlée et locale de médicaments pour des applications en chirurgie vasculaire. D'un point de vue de la physique des plasmas, ce travail a de plus souligné l'importance de l'étude de la décharge dans de véritables conditions de dépôt de couches minces.
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L'IMPACT ENVIRONNEMENTAL ET SANITAIRE DES EMISSIONS, DANS L'ATMOSPHERE, D'EFFLUENTS GAZEUX CHARGES EN POLLUANTS, NOTAMMENT EN COMPOSES ORGANIQUES VOLATILS, A MOTIVE LA RECHERCHE DE TECHNOLOGIES NOUVELLES PERMETTANT LA DEPOLLUTION A MOINDRE COUT DE CES EFFLUENTS. CE TRAVAIL DE THESE A EU POUR OBJECTIF L'ETUDE D'UNE DECHARGE MOYENNE FREQUENCE AVEC BARRIERE DIELECTRIQUE, ETABLIE DANS L'AIR A PRESSION ATMOSPHERIQUE, ADAPTEE A CETTE APPLICATION. REALISEE AVEC UNE GEOMETRIE D'ELECTRODES DE TYPE MONOPOINTE - PLAN, CETTE ETUDE PERMET DE PROPOSER UN MODELE ELECTRIQUE DECRIVANT LES MECANISMES INDUITS DANS LES COMPOSANTES IMPULSIONNELLES ET SYNCHRONES DU COURANT DE DECHARGE ET DE DEGAGER UN PARAMETRE PHYSIQUE DU PLASMA, SA TEMPERATURE T P L, CORRELEE AUX PARAMETRES ELECTRIQUES DE DECHARGE ET DONT LES VALEURS ELEVEES (1500-2500 K) JUSTIFIENT LA TERMINOLOGIE DE PLASMA TIEDE, DETERMINANT SA REACTIVITE CHIMIQUE. CETTE REACTIVITE EST TESTEE SUR LE TOLUENE DONT LA DESTRUCTION EST ETUDIEE EN FONCTION DES PARAMETRES PHYSIQUES ET ELECTRIQUES DU PLASMA. UNE EXTENSION LINEAIRE DU SYSTEME PRECEDENT A ETE REALISEE, EN VUE DE L'INDUSTRIALISATION DU PROCEDE, SOUS LA FORME D'UN REACTEUR DEVELOPPANT UN DOUBLE RIDEAU DE PLASMA ET D'UNE CAPACITE VOLUMIQUE DE TRAITEMENT DE 1 M 3.H - 1. LES PERFORMANCES DE CE REACTEUR ONT ETE APPRECIEES EN OPERANT AVEC DU TOLUENE ET DE L'ISOPROPANOL (A RAISON DE 1000-2000 PPMV) EN TENANT COMPTE A LA FOIS DU TAUX DE CONVERSION DU POLLUANT (90-99%) ET DES PRODUITS STABLES DE DEGRADATION FORMES EN PHASES GAZEUSE ET PARTICULAIRE. CETTE ANALYSE A CONDUIT A LA PROPOSITION DE SCHEMAS REACTIONNELS DE TYPE COMBUSTION ET DES COMPARAISONS ETABLIES SUR UN PLAN ENERGETIQUE ONT MONTRE QUE, DANS CERTAINES CONDITIONS, UNE ENERGIE INJECTEE DANS LE PLASMA DEUX FOIS INFERIEURE A CELLE MISE EN JEU DANS UN PROCESSUS DE COMBUSTION PEUT SUFFIRE A L'OBTENTION DE RESULTATS CHIMIQUES COMPARABLES. UN CONCEPT DE CATALYSE PLASMA EST ALORS AVANCE.
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L'intérêt croissant susciter par les applications biomédicales des plasmas non thermiques, inspire le développement de nouvelles sources plasmas. Les décharges à barrière diélectrique (DBD) ou les décharges couronne générées dans l'air ambiant ou dans le flux de gaz rare sont généralement utilisées. Production des plasmas directement dans un liquide a un grand potentiel pour les processus de stérilisation des substances liquides et pour le traitement extracorporel du sang. Les mécanismes physiques de formation d'une décharge électrique dans un milieu liquide ne sont toujours pas entièrement compris .La première partie de cette thèse examine le sujet de l'initiation et le développement de décharge nanoseconde dans les diélectriques liquides (eau déminéralisée, éthanol et n-pentane). La visualisation ombroscopique résolue en temps, la spectroscopie optique d'émission et les mesures électrique sont appliqués à l'étude d'une décharge électrique initiée sur une électrode à pointe positive.Nous avons montré que, selon l'amplitude de tension trois scénarios différents peuvent se produire dans des diélectriques polaires, notamment, la cavitation d'une bulle, le développement de décharge dans une cavité gazeuse (le mode 'buisson') et l'initiation de la décharge filamentaire (le mode 'arborescent') se propageant directement dans le liquide. La différence dans la formation et la propagation de deux modes de la décharge ('buisson' et 'arbre') révèle les mécanismes physiques étant très distincts.Dans la deuxième partie de ce travail, nous abordons la question d'interaction entre les plasmas froids atmosphériques avec les cellules vivantes in vitro et in vivo. L'étude porte sur le mécanisme de la mort cellulaire induite par le plasma. Cytométrie de flux avec deux marqueurs AnnexinV (AV) et de l'iodure de propidium (PI) a été appliquée pour l'analyse de la viabilité cellulaire. On montre l'induction de l' apoptose dans les cellules de T lymphocyte humain (Jurkat) et dans les cellules épithéliales (HMEC) traités par le plasma de DBD nanoseconde. Dans les souris nudes l'induction de l'apoptose et de la nécrose en fonction de la dose est observé par la microscopie électronique dans les coupes de l'épiderme. L'analyse histologique montre l'apparition des lésions importantes dans l'épiderme , derme, hypoderme et les muscles en fonction de la durée du traitement. Production de peroxyde d'hydrogène dans le milieu de culture (PBS) exposé au plasma de DBD est mesurée à l'aide d'une sonde fluorescente sélective (Amplex® Red). La viabilité des cellules de la thyroïde humaines ( HTori -3) et des cellules de mélanome (1205Lu) cellules démontre la dépendance nonmonotone de la concentration de H2O2. Le rôle majeur du peroxyde d'hydrogène produit par plasma et du champ électrique de la DBD est suggéré.
Author: Jérôme Jolibois
Author: Jérôme Jolibois
Author: Jacques Xing
Author: Mohamed Chérif Bouzidi
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