Thèse : Développement de micro-capteurs de frottement pariétal et de pression pour les mesures en écoulements turbulents et le contrôle de décollement

Le contrôle des écoulements vise à modifier le comportement naturel d’un écoulement fluidique. Dans le domaine des transports, contrôler les phénomènes fluidiques tels que le décollement peut permettre d’économiser du carburant, d’améliorer les performances des véhicules ou encore d’assurer davantage la sécurité des passagers. Dans ce contexte, des capteurs avec de fines résolutions temporelle et spatiale sont requis afin de connaître l’écoulement à contrôler et adapter en temps réel le contrôle.  Dans ce travail, l’objectif a été de développer des micro-capteurs de frottement et de pression pour les mesures en écoulements turbulents et le contrôle de décollement.

Tout d’abord un micro-capteur calorimétrique a été conçu et réalisé par des techniques de microfabrication pour mesurer simultanément le frottement pariétal et la direction de l’écoulement. Le micro-capteur a ensuite été intégré en paroi d’une soufflerie afin de réaliser son étalonnage statique et dynamique et d’étudier sa sensibilité à la direction de l’écoulement. Troisièmement, le micro-capteur calorimétrique a été utilisé pour caractériser des écoulements décollés.  Plusieurs micro-capteurs avec électronique miniaturisée ont été intégrés avec succès dans une maquette de volet et des essais de contrôle actif ont été réalisés. Enfin, la quatrième partie concerne le développement d’un micro-capteur de pression et d’un micro-capteur multi-paramètres réunissant les deux technologies.

L’ensemble de ces micro-capteurs a caractérisé avec succès et montre des résultats prometteurs pour caractériser les écoulements turbulents et permettre la mise en place de contrôle d’écoulement en boucle fermée.

Composition du jury

Development of wall shear stress and pressure micro-sensors for turbulent flows measurements and flow control

 

Flow control aims at artificially changing the natural behaviour of a flow. In transport industries, controlling fluidic phenomena such as boundary layer separation allowssaving fuel and power, improving vehicles performances or insuring passenger’s safety. In this context, sensors with accurate spatial and temporal resolution are required. Such devices enable to estimate the flow to control and allow real-time adaptation of the control. In this work, the objective is to develop wall shear stress and pressure micro-sensors for turbulent flows measurements and flow separation control.

Firstly, a calorimetric micro-sensor was designed and realized using micromachining techniques for measuring simultaneously the wall shear stress amplitude and the flow direction. Secondly, the micro-sensor was flush-mounted at the wall of a wind tunnel for static and dynamic calibrations. Thirdly, it was used to characterize separated flows. Several configurations were studied: separation on airfoil profile, separation and reattachment downstream a 2D square rib and the separation on a flap model. Several micro-sensors with embedded electronics were successfully integrated on a flap model and active flow control experiments were performed. Finally, the fourth part of the document concerns the development of a pressure micro-sensor and the development of a multi-parameter micro-sensor combining both technologies.

All these micro-sensors have been successfully realized and characterized and demonstrate promising results for measuring turbulent flows and implementing closed loop reactive flow control.