Modélisation et simulation numérique de la génération de plasma

Département Modèles pour l’Aérodynamique et l’Énergétique
ONERA
THESE
présentée en vue d’obtenir le grade de
DOCTEUR
de
L’ÉCOLE NATIONALE SUPÉRIEURE
DE L’AÉRONAUTIQUE ET DE L’ESPACE
ÉCOLE DOCTORALE : TRANSFERTS, DYNAMIQUE DES FLUIDES,
ÉNERGÉTIQUE ET PROCÉDÉS
SPÉCIALITÉ : DYNAMIQUE DES FLUIDES
par
Jean-Charles MATÉO-VÉLEZ
Modélisation et simulation numérique de la génération de
plasma dans les décharges couronnes et de son interaction avec
l’aérodynamique
soutenue le 18 décembre 2006 devant le jury :
MM. BOEUF Jean-Pierre Examinateur
CAZALENS Michel Examinateur
DEGOND Pierre Directeur de thèse
DUBROCA Bruno Rapporteur
LAUX Christophe Rapporteur
Mme LEYLAND Pénélope Examinateur
MM. ROGIER François Examinateur
THIVET Frédéric Directeur de thèse

Remerciements
La réalisation de cette thèse doit à un grand nombre de personnes, et je me propose ici de les
remercier. Je tiens tout d’abord à remercier Jean Cousteix, directeur du Département Modèles
pour l’Aérodynamique et l’Énergétique, ainsi que Jean-Claude Traineau, Frédéric Thivet et Pierre
Millan, chefs successifs de l’unité C2A, pour leur accueil à l’ONERA.
Je remercie très chaleureusement les membres de mon jury de thèse : son président, Jean-
Pierre Boeuf (LAPLACE, Toulouse), Pénélope Leyland (EPFL, Lausanne), Michel Cazalens
(SNECMA-Moteurs), Christophe Laux (EM2C, Paris) et Bruno Dubroca (CEA, Bordeaux).
L’examen précis de mon travail réalisé par ces deux derniers lors de la rédaction de leur rapport,
et les questions et remarques de l’ensemble lors de la soutenance ont permis d’éclaircir certains
points difficiles et surtout d’ouvrir le champ des investigations futures.
Cette thèse n’aurait vu le jour sans l’action de Frédéric Thivet (SUPAERO, Toulouse), ini-
tiateur et co-directeur de celle-ci. Son encadrement sans faille, son dynamisme communicatif et
la qualité de son raisonnement m’ont été précieux dans chacune des étapes de mon travail. La
multidisciplinarité du sujet étudié fut un réel challenge pour moi et j’ai trouvé en Pierre Degond
(MIP, Toulouse), co-directeur également de ma thèse, ce socle de connaissances nécessaires à
la poursuite de l’objectif visé. Le nombre et la qualité de nos réunions se sont avérés décisifs
quant à ma compréhension, même partielle, de la physique qu’il m’était proposé d’étudier. Cet
encadrement a atteint un niveau inespéré grâce à la collaboration étroite menée avec François
Rogier (ONERA, Toulouse). Son soutien pour mes activités de modélisation numérique, son ai-
sance dans la formulation mathématique des phénomènes physiques et la bonne humeur dont il
a agrémenté le tout l’ont porté à mes yeux à l’égal d’un troisième directeur de thèse. Pour toutes
ces raisons, je tiens à adresser ma plus sincère gratitude à ces trois personnes.
Pour me lancer dans ce travail de longue haleine, j’ai profité d’un petit coup de gnaque ini-
tial. Cet appel d’air dans lequel je me suis engouffré, c’est-à-dire la recherche scientifique, a été
déclenché par Alain Strzelecki qui, lors de mon stage de DEA, m’a proposé une définition de la
recherche qui me plaît encore à ce jour. Il parlait d’un travail passionnant, au coeur des préoccu-
pations scientifiques, industrielles et sociétales. J’ai pu observer la mise en pratique quotidienne
de ces idées au travers de son travail, ainsi que de celui de nombre de ses collègues de l’unité
MH du DMAE parmi lesquels Pierre Gajan, Gérard Lavergne, Pierre Berthoumieu et Robert
Foucaud.
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Explorer un nouveau domaine lors de ma thèse m’a permis de rencontrer d’autres personnes
et de vérifier derechef la compétence et l’accueil irréprochable des membres du DMAE. Alain
Séraudie, Daniel Caruana et Gérard Guillement, dignes représentants de la Plasma Team doivent
savoir combien il m’a été agréable de participer avec eux à l’aventure PUMA et que j’en garderai
un excellent souvenir.
J’étends bien volontiers le cercle de la Plasma Team pour remercier, pour leur disponibilité,
leur volonté de coopérer et leur conseils avisés, Jean-Pascal Cambronne et Jean-Pierre Boeuf du
laboratoire LAPLACE de Toulouse et Eric Moreau du LEA de Poitiers, ainsi que leurs collègues
Leane Pitchford, Thierry Callegari, Youssef Lagmich, Jérôme Pons et Maxime Forte. Les riches
discussions avec mes collègues parisiens, Bruno Chanetz, Denis Packan, Serge Larigaldie, Paul-
Quentin Elias et François Vuillot m’ont également bien aidé. Pour ma part, je suis entré dans ce
projet en profitant du travail réalisé par Géraldine Quinio lors de sa thèse réalisée au DTIM. Je
la remercie très chaleureusement pour son aide, toujours dans la bonne humeur, même lors des
cours de mathématiques improvisés qu’elle m’a donnés. Je sors de l’aventure PUMA en sachant
le flambeau bien repris puisqu’en plus des précités se sont rajoutés Guillaume Dufour et Thomas
Unfer, qui sont des recrues parmi les meilleures pour le monde de la recherche.
Je remercie toutes les secrétaires du DMAE, Corinne Plantade, Christine Pujol, Valérie Du-
plessis, Angélique Zerrougui et Nathalie Clapes pour l’aide qu’elles m’ont apportée. Merci éga-
lement à Emmanuel Carreau et Pierre Malecki pour leur support informatique.
Ce n’est pas pour leurs qualités professionnelles (celles-ci par ailleurs avérées) mais bien plutôt
humaines que je tiens maintenant à remercier très chaleureusement l’ensemble des personnes que
j’ai eu la chance de cotoyer durant ces quelques années. Ceci reprend beaucoup des personnes
précitées mais je tiens à les remercier encore. La journée du doctorant que j’étais commençait
réellement à la pause café, café mettant un terme immédiat à la torpeur matinale. Merci à tous
les gens qui, par une institution aussi simple que la pause café, permettent aux nouveaux de
s’intégrer en échangeant dans la détente des opinions sur tout et sur rien.
Un indétrônable de la journée typique du thésard du DMAE est le repas du midi pris à la
cantine de Supaero. On y rencontre alors tous ses collègues rameurs (certains surfent paraît-
il). Pour les franches rigolades, les réflexions profondes sur la politique ou Paris Hilton, les
parties de cartes ou concours de mots fléchés je remercie, en retenant ma respiration : les anciens
de l’époque, Clarisse, Nawel, Valérie, Cécilia, Mylène, Laure, Jérôme, Olivier Br., Olivier Bo,
Stéphane, Alexandre, Vincent, Clément, Frédéric L., Yann, Gilles, Paul, merci également aux tout
juste plus jeunes Emmanuel, Tristan, Ludovic, Damien, Emmanuel, Géraldine, Maud, Florian,
Bruno, Fred, Claire, Brice, François, Estelle, Julien, Rémi, Hélène, Nicolas.
Pour maintenir sur la longueur un effort qu’il a bien fallu cérébral, j’ai expérimenté une tech-
nique qui veut que le reste du corps soit lui aussi mis quelque peu à l’épreuve. Ce fut quelques
haltères soulevées de terre le temps d’une joute amicale avec Jean-Pierre Carayon, Arnaud et
Cédric. Le plat de résistance, ce fut mon implication dans mon équipe de rugby saint-orennaise
et à l’INP, dont je remercie les membres et l’entourage, qui ont accueilli en terre ovale toulousaine
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