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Analyse expérimentale de l’influence d’un écoulement sur la propulsion par vent ionique confinée

Soutenance de thèse Benoît Flesselles

Mercredi 8 avril à 14 h 00 – Amphithéâtre Nougaro

Résumé:

L’ElectroHydroDynamique (EHD) désigne la mise en mouvement d’un gas neutre par colision avec des ions accélérés par à un champ électrique. La force macro-scopique appliquée par les ions au fluide neutre lors de collisions peut être utilisée comme système de propulsion électrique, sans pièces mobiles, quasi silencieux, et adapté à la propulsion distribuée. Ces caractéristiques ont motivé de nom-breuses recherches afin de concevoir un aéronef équipé d’un propulseur EHD, ce qui fut accompli en 2018 par une équipe du MIT. Néanmoins, le très faible ren-dement énergétique (<1%) du processus de transfert collisionnel d’énergie freine le développement de propulseurs EHD capables de concurrencer des méthodes traditionnelles de propulsion. Un propulseur EHD peut être réalisé facilement grâce à deux électrodes asymétriques soumises à une haute tension. Une décharge couronne se forme alors sur l’électrode de faible diamètre, appelée émetteur, in-jectant des ions dans le gaz ambiant, alors que la seconde électrode de diamètre plus élevé et appelée collecteur, attire ces ions et les récupère. Un vent ionique de l’émetteur vers le collecteur est ainsi créé, indépendamment de la polarité.

Dans une première partie, l’influence des charges surfaciques déposées sur les parois diélectriques confinant le système EHD fil-cylindre et fil-profil aérody-namique est étudiée. Une dépendance non monotone (avec une augmentation, un maximum et une diminution) du courant traversant le système EHD en fonction de la distance des électrodes aux parois est observée. Ce résultat inattendu est im-portant pour la conception de propulseurs EHD carénés et utile pour appréhender le comportement du système dans l’environnement confiné d’une soufflerie haute vitesse.

Les mesures du courant traversant un propulseur EHD à grandes vitesses (de Mach=0.1 à Mach=0.6) montrent sa forte augmentation proportionnelle à la vitesse de l’écoulement, confirmant des résultats anciens de S. Chapman, mais aussi l’existence de corrections supplémentaires quadratiques indiquant la présence d’un couplage fort entre la décharge couronne et l’écoulement, bien au delà de ce qui serait imputable à la seule advection des charges par l’écoulement. Une diminu-tion de la tension d’allumage de la décharge couronne en présence d’écoulement est également observée et aussi partiellement expliquée par des argument théoriques. En dernière partie, les développements expérimentaux relatifs à la mesure de la force EHD sont détaillées, ainsi que les raisons pour lesquelles ces tentatives n’ont

pas pu aboutir.

Mots clés: Haute vitesse, électroaérodynamique, propulsion, décharge couronne, diélectrique, charges surfaciques.

Abstract:

ElectroHydroDynamics (EHD), refers to a neutral gas momentum transfer from accelerated ions plunged into an electric field. The macroscopic force applied by ions to the neutral fluid during collisions can be used as a propulsion mechanism, resulting in an electric propulsion system without moving parts, almost silent, and suited for distributed propulsion. These unique characteristics have motivated ex-tensive studies aimed at designing an aircraft equipped with an EHD thruster, as first achieved in 2018 by a MIT team. Nevertheless, the very low energy effi-ciency (<1%) of the collisional energy transfer process hampers the development of EHD thrusters capable of competing with traditional propulsion methods. EHD thrusters can be easily realized using two asymmetric electrodes subjected to high voltage. A corona discharge forms on the low-diameter electrode, called the emit-ter, injecting ions into the ambient gas. The second electrode, called the collector and having a larger diameter to avoid producing charges of opposite polarity, at-tracts the ions ejected by the emitter. A gas flow from emitter to collector named ionic wind is then created, independent of the applied polarity.

In a first part, the influence of surface charges deposited on dielectric walls confining the EHD systems is studied. A non-monotonic dependence (with an increasing, maximum, and decreasing trend) of the current with the dielectric walls distance to the electrode system is observed. This unexpected result is important for the design of ducted EHD thrusters and is useful for interpreting their behavior in the confined environment of a high-speed wind tunnel.

Current measurements through an EHD thruster within a wind tunnel at high speeds (from Mach=0.1 to Mach=0.6) display a strong linear increase with the air velocity, confirming the S. Chapman results, but also unanticipated quadratic corrections indicating a strong coupling between the flow and the corona discharge, much beyond the expected effect of charge advection, and yet theoretically possible. A quadratic decay of the inception voltage is also observed at high velocity, the origin of which is partially theoretically elucidated.

In the final part, the attempts implemented to measure the EHD force produced by a thruster with a wire emitter and two aerodynamic profiles as collectors are detailed, along with the reasons why these attempts could not succeed.

Keywords: High velocity, electroaerodynamic propulsion, corona discharge, di-electric, surface charge.

Composition du jury

  • Delphine Laboureur Associate Professor, VKI Rapporteur

  • Marco Belan Pr. Politecnico de Milano Rapporteur

  • Jean Pierre Boeuf DR CNRS, Laplace Examinateur

  • Hadrien Lambaré Docteur, CNES Examinateur

  • Nicolas Binder Pr, ISAE-SupAéro, DAEP co-Directeur de thèse

  • Franck Plouraboué DR CNRS, IMFT Directeur de thèse