Description du sujet de thèse

Le but de cette thèse est la modélisation du couplage entre un écoulement rapide externe avec le vent ionique (Electro-Aero-dynamique AED) dans le cadre d'une approche couplée. La plupart des travaux antérieurs ont considéré des configurations d'écoulement faiblement couplées dans lesquelles la vitesse de l'écoulement externe est petite devant la vitesse de drift des ions (Monrolin, 2018a). Dans ce cas, il n'y a pas de retro-action de l'écoulement sur le problème électro-statique et le problème de drift des charges (Cf Coseru, et al 2021pour plus de détails) de sorte à ce qu'une approche one-way coupling évaluant la force de Coulomb dans l'équation de Navier-Stokes est suffisante pour décrire le couplage AED. A l'opposé, lorsque la convection des charges est comparable à la vitesse de drift on ne peut plus négliger la rétro-action du fluide sur les charges, il y a un couplage fort qu'il faut traiter entre l'écoulemenet externe et le transport des charges. Ce couplage ne se produit pas seulement au sein du bulk de l'écoulement mais il est aussi présent au niveau des conditions aux limites appliquées au niveau des électrodes où l'hypothèse de Kaptzov pourrait être invalide.
Le but de cette thèse est de développer une approche couplée du vent ionique à haute vitesse. Cette modélisation sera effectuée en 2D avec un code élément fini développé à l'IMFT. Cette modlisation sera aussi couplée avec des mesures par des techniques d''assimilation de données pour déduire les meilleures conditions aux limites.

Contexte de travail

La propulsion ionique atmosphérique (aussi appelée Aero-Electro-Hydrodynamique AEH) est un sujet ancien dont l'intérêt a été récemment renouvelé pour ses avantages spécifiques : 100% électrique (zéro émission de CO2), quasi-silencieux, sans pièces mécaniques mobiles, distribuée et facile à contrôler. Les premières études dans les années 1955-65 ont découragées les recherches à cause d'une efficacité décevante (de l'ordre de quelques %) comparées à la propulsion des moteurs themiques qui atteignent 35%. Cependant, à haute vitesse cette efficacité est théoriquement capable d'atteindre 50% lorsque la vitesse de l'avion atteint la vitesse de drift des charges.
De récentes recherches à Boston MIT (Masuyama & Barrett 2013) ont montré que cette propulsion peut atteindre des performances meilleures que la propulsion classique (pour le rapport poussée/puissance). Ces résultats ont été confirmées par plusieurs équipes dont la notre où nous avons montré que cette propulsion pourrait faire voler Solar Impulse II (Monrolin et al 2017). Plus récemment, la propulsion par vent ionique a permit le vol autonome avec batterie embarquée d'un drone de 2.4 kg et 5m d'envergure au MIT (Xu et al, Nature, 2018). Ce travail a permit de démontrer qu'une telle propulsion est possible pour des drones. Dans ce contexte, l'AEH présente des avantages considérables pour les drones de haute-altitude : un couplage direct avec des panneaux solaire, un contrôle direct de la propulsion, et bien sûr une dimission des émission de CO2 (Plouraboué, Nature 2018).
La limitation de faible efficacité doit pouvoir être levée dans le contexte d'écoulements extérieurs rapides. Cette thématique est l'objet d'un projet European IPROP (EIC pathfinder) associant six partenaires Europeans (incluant l'IMFT avec une collaboration plus spécifique avec le laboratoire de Physique des plasma de l'Ecole Polytechnique, Paris-Saclay, et l'ISAE/DAEP) pour l'étude et le développement de cette nouvelle propulsion qui constitue le contexte de cette thèse.

Bibliography:
S. Coseru, D. Fabre, F. Plouraboué, Numerical study of ElectroAeroDynamic force and current resulting from ionic wind in emitter/collector systems, J. of Applied Physics, 129 (10), pp. 103304, 2021.
K. Masuyama, S.R.H. Barrett, I. Angelov, N. Wadefalk, J. Stenarson, On the Performance of electrohydrodynamic propulsion, Proc. Royal Soc. A, 50, 6,1480-1486, 2013.
C.K. Gilmore and S.R.H. Barrett, Electrohydrodynamic thrust density using positive corona-induced ionic winds for in-atmosphere propulsion, Proc. Royal Soc. A, 471(2175):20140912--20140912, 2015.
J. Lemetayer; C. Marion; D. Fabre; F.Plouraboué, Multi-inception patterns of emitter array/collector systems in DC corona discharge, J. Physics D: Applied Physics, 55 , 2022.
N. Monrolin, O. Praud, F. Plouraboué, Electrohydrodynamic thrust for in-atmosphere propulsion, AIAA, 55, 12, 4296-4305, 2017.
N. Monrolin, O. Praud, F. Plouraboué, Revisiting the positive DC corona discharge theory : beyond Peek's and Townsend's law, Phys. Plasmas, 25, 063503, 2018a.
N. Monrolin, O. Praud, F. Plouraboué, Electrohydrodynamic ionic wind, force field and ionic mobility in a positive DC wire-to-cylinders corona discharge in air, Phys. Rev. Fluid., 3, 063701, 2018b.
F. Plouraboué, Flying with ionic wind, Nature, 563 , pp. 476–477, 2018.

Contraintes et risques

La thèse aura lieu à l'IMF à Toulouse, France (www.imft.fr). Des candidats ayant une forte motivation pour la mécanique des fluides, la modélisation multi-physique et de très bonnes compétences en calculs numériques sont attendus.