Littérature scientifique sur le sujet « Aérodynamique des plasmas »

On a maintenue en levitation aerodynamique sur des jets de plasma d'argon des spheres d'acier inoxydable dans le but d'obtenir des coefficients de transfert de chaleur. Les conditions d'equilibre ont ete precisees par analyse d'images video. On a etabli une expression reliant les hauteurs de levitation mesurees aux parametres experimentaux (diametres des buses et des spheres, debit de gaz, puissance fourni au gaz plasmagene). La temperature des billes etait mesuree soit par pyrometrie optique soit a l'aide d'une thermopile. Les proprietes de l'ecoulement (temperature, composition, vitesse) ont ete mesurees au point d'arret des spheres par une methode pneumatique associee a des mesures par spectrometrie de masse. Des coefficients de transfert de chaleur et des nombres de nusselt ont ete deduits de la temperature des billes a l'equilibre thermique ou par analyse de l'evolution dans le temps de leur temperature

Nous avons, dans le cadre de ce travail, développé la Décharge à Barrière Diélectrique (DBD) dans deux électrofiltres de géométries différentes. L'un des électrofiltres est de configuration Fil -Cylindre et l'autre de configuration Plan-Plan. Le premier volet de l'analyse de la précipitation électrostatique a consisté à déterminer l'efficacité de collecte des électrofiltres. Les résultats obtenus ont montré que l'utilisation de la DBD pour la précipitation donnait non seulement de très bons résultats en configuration Fil-Cylindre, mais également en configuration Plan-Plan (plus de 99% d'efficacité). Le second volet de notre étude a été consacré à la caractérisation des phénomènes EHD à l'intérieur des électrofiltres DBD à l'aide de moyens métrologiques optiques. Les résultats ont montré que le vent électrique a une influence minime sur la précipitation. En dehors du processus de génération du vent électrique dû à la différence de rayon de courbure entre les électrodes, il semblerait que les streamers soient impliqués dans le phénomène de précipitation. D'un point de vue organisationnel, ce travail s'articule autour de quatre chapitres. Dans le premier chapitre, nous présentons la précipitation électrostatique comme un outil de dépollution de l'air. Le deuxième chapitre est consacré à la caractérisation électrique des électrofiltres. Le troisième chapitre aborde l'analyse des performances granulométrique des électrofiltres. Enfin, le quatrième chapitre traite l'aspect EHD des phénomènes opérant à l'intérieur des électrofiltres
In this work, we developed a Dielectric Barrier Discharge (DBD) in two opposite configurations of ESP. One of them is based on Wire-to-Cylinder configuration; the second is on Plate-to-Plate configuration. The first step of our analysis of the electrostatic precipitation was the evaluation of ESP collection efficiency. The results have shown that, using the DBD, we can effectively precipitate in Wire-to-Cylinder configuration as well as in Plate-to-Plate configuration (more than 99% of efficiency). The second step of the study was devoted to the characterization of the EHD flow phenomenon inside the investigated ESP, using Particle Image Velocimetry technique. The obtained results have established that the electric wind has a minimal effect on electrostatic precipitation. Outside the usual process of electric wind generation, the streamers seemed to be implicated in the precipitation process. This work is articulated around four chapters. In the first one, electrostatic precipitation is investigated as a pollution control device. The second underlines the electrical characterization of the ESP. In the third, the study of ESP performance in terms of precipitation is examined. Finally, the fourth is devoted to the characterization of the EHD flow phenomenon inside the investigated ESP

Afin de diminuer la signature radar d'une entrée d'air d'aéronef, un dispositif envisagé consiste en l'ionisation partielle de l'air au niveau de l'entrée d'air. L'objectif de la thèse est de développer des modèles mathématiques et numériques permettant de mieux appréhender les principaux mécanismes physiques intervenant dans la génération d'un plasma d'air à pression atmosphérique soumis à un vent. Une analyse asymptotique d'un modèle 0D de cinétique de création d'un plasma d'air dans un écoulement a été effectuée. Le maintien du plasma repose sur la présence des métastables: permettant de détacher des électrons d'ions négatifs et sur la vitesse de l'écoulement porteur. Dans un second temps, nous nous sommes intéressés au dispositif des décharges capillaires générant une décharge homogène dans l'air à pression atmosphérique. Un modèle 0D a été conçu afm de comprendre les principaux mécanismes physiques intervenant dans l'initiation de la décharge. Les simulations numériques ont montré l'importance des phénomènes aux parois. Enfin, une dernière partie est consacrée à l'élaboration et à l'étude d'un modèle numérique bidimensionnel d'une décharge continue Pointe Négative Plan dans une entrée d'air. Le modèle est constitué d'un système d'équations non-linéaires de convection/diffusion/réactions couplées à l'équation de Poisson. Le courant induit par la circulation du plasma dans le circuit extérieur est relié au potentiel par une équation différentielle ordinaire en temps. Les simulations numériques montrent que lorsque le vent devient important, la formation périodique de canaux plasmiques dérivant ensuite le long de l'écoulement porteur est observée
Order to reduce the flash points in air intake of aircraft, a considered deviee consists in the partial ionisation of the air around the air intake. The aim of the thesis is to develop mathematical and numerical models in order to apprehend the main physical mechanisms which occur in the generation of air plasmas at atmospheric pressure in air flows. An asymptotic analysis of simple ionization kinetics of air flows at atmospheric pressure is first proposed. The existence of the plasma depends on the value of the flow velocity relative to a threshold value and on the existence of metastables which detach electrons from negative ions. Secondly, we were interested in the modelling of capillary discharges which allows the genera tion of a homogeneo us discharge in air at atmospheric pressure. A OD model has been made in order to understand the main physical mechanisms occurring in the discharge initiation. The numerical simulations shows the wall phenomena take an important place in the operation of the discharge. Lastly, a 2D model is developed to model a negative tip/plane corona discharge in air flows. The mode! consists of a system of non-linear convection/diffusion /reaction equations coupled with the Poisson equation. The current induced by the plasma circulation in the extemal circuit is Iinked with the potential through an ordinary differential equation in time. The numerical simulations show that when the flow velocity becomes important, a periodical formation of plasma channels carrying away by the air flow is observed

L'étude a porté sur le vent ionique produit par une décharge couronne créée par deux électrodes reliées aux bornes d'une alimentation haute tension, en vue de comprendre les phénomènes à la base du vent ionique et les paramètres quicontrôlent sa vitesse dans l'air à pression atmosphérique. Une étude paramétrique est réalisée sur la distance inter-électrodes, lediamètre et le matériau des électrodes, la tension, sa polarité, le courant et le gaz. En parallèle, un modèle numérique bidimensionnel de la décharge positive et du vent ionique est développé, comprenant les équations de Poisson, de continuité de la densité électronique, de continuité des densités d'un ion positif et d'un ion négatif, de continuité de la masse et les équations de Navier-Stokes. Le systèmeest fermés avec des expressions représentant la cinétique chimique de la décharge et le transport des charges. La simulation a étéfaite à l'aide du logiciel FLUENT et de modules programmables. Les mesures ont montré que la vitesse du vent ioniquene nedépend directement que de la racine carrée du courant. Les paramètres géométriques quant à eux modifient la caractéristique courant-tension. Le matériau n'a pas d'influence tandis que le gaz dans lequel se produit la décharge modifie l'évolution de la vitesse en fonction du courant. Ces résultats sont retrouvés par les calculs qui montrent que l'émission secondaire d'électrons par bombardement ionique est négligeable dans la configuration étudiée et que la mobilité des ions est importante. La comparaison des mesures dans différents gaz permet d'estimer les ions prépondérants dans le phénomène de vent ionique. Les calculs sont en bon accord avec les expériences
The studydeals with ionic wind produced by a corona discharge created by two electrodes connected to a high voltage power supply, in the aim to understand the phenomenaof the ionic wind and the parameters that control its velocity in air at amopsheric pressure. A parametric study is realized on the gas distance, the diameter and the material of the electrodes, the voltage, its polarity, the current and the gas nature. In parallel, a 2D steady-state numerical model of the discharge and of the ionic wind is developped, solving simultaneously the Poisson equation, the continuity equations for electrons, positive ions, negative ions and the Naviers-Stokes equations. The system is closed with expressions modelling the kinetics chemistry of the discharge and the transport of charges. The simulations have been done with FLUENT and complementar modules. The measurements show that the velocity of the ionic wind depends directly of the square root of the current. The geometrical parameters modify the current-voltage characterics. The material has no influence while the gas nature modifies the evolution of the velocity vs the current. Theses results are also fund with simulations which show that the secondary electron emission is neglectable in the studied configuration and that the ion mobility is important. The comparison between the measurements in differents gases helps to estimate the predominant ions in the ionic wind phenomenon. Simulations are in good agreement with experiments

Ce travail concerne la mise en œuvre d'une source d'oxygène atomique qui est ensuite utilisée pour reproduire les conditions d'une orbite basse terrestre. L'installation PELICAN est un moyen au sol capable de simuler en un temps réduit, des temps d'exposition étendus à un environnement d'orbite basse terrestre. La source d'oxygène atomique consiste en un faisceau d'atomes énergétiques extrait d'un jet supersonique. Le jet est produit en laissant s'écouler à travers une tuyère sonique un plasma entretenu par un rayonnement laser infrarouge. Des échantillons métalliques ont été exposés au flux d'atomes ainsi produit (vitesse d'impact de l'ordre de 5 km/s). Une altération de l'état de surface de ces échantillons a été mise en évidence. Des simulations numériques ont également été réalisées afin d'étudier quelques caractéristiques macroscopiques (vitesse, pression, température) des plasmas d'argon produits sur PELICAN. Les résultats de calculs sont comparés aux résultats expérimentaux dans le cadre de deux types de modélisation. La première fait appel à une hypothèse d'équilibre thermodynamique local, alors que dans le deuxième cas, une modélisation du type "plasma hors-équilibre" est utilisée.

Lors de cette thèse nous nous sommes fixés deux objectifs. Le premier était de réaliser des dépôts d’YpSZ pour l’application barrière thermique. Pour cela nous avons utilisé un réacteur plasma basse pression horizontal développé au LGPPTS équipé d’un injecteur pneumatique utilisant des précurseurs nitrés dissous en solution aqueuse. Ce nouveau procédé est intéressant car grâce à des conditions thermiques douces il permet d’obtenir après un recuit des nano pores dans les dépôts. Ces nano pores permettent de réduire la diffusivité thermique. Ainsi nous avons étudié en détails ce procédé et réalisé deux simulations de celui-ci : une première sous COMSOL pour obtenir des informations sur les gaz et une seconde sous SCILAB pour obtenir des informations sur les gouttelettes de précurseurs nitrés. Ainsi grâce à l’étude paramétrique du réacteur, nous avons réalisé des dépôts d’YpSZ épais (100µm) présentant une porosité totale de 50%. Le second objectif était de protéger la barrière thermique des dégradations induites par l’attaque des CMAS. Nous avons choisi de la recouvrir d’une couche de Gd2Zr2O7 car cet oxyde possède la capacité de réagir avec les CMAS et ainsi stopper leur infiltration dans la barrière thermique. Pour réaliser les dépôts de Gd2Zr2O7, nous avons utilisé un réacteur plasma basse pression vertical équipé d’un nébuliseur. Grace à ce procédé nous avons été en mesure de déposer des couches de type YpSZ/Gd2Zr2O7 dégradé en concentration. En parallèle, nous avons aussi adapté un procédé de plasma thermique équipé d’un injecteur de poudre pour avoir à disposition une installation expérimentale de simulation d’attaque des CMAS sur les barrières thermiques

La pulvérisation assistée en air est utilisée dans les systèmes d’injections des turbomachines et repose sur le principe de l’injection d’une nappe liquide annulaire fine (~300 µm) qui est cisaillée et fragmentée par deux écoulements gazeux de part et d’autre de l'anneau liquide. Ce type de pulvérisation manque d'efficacité lorsque la vitesse des écoulements d’air est faible (<30 m/s). Cette étude s’articule autour des deux objectifs que sont une meilleure compréhension du phénomène de pulvérisation assistée en air de nappe liquide et une implémentation d’outils technologiques, appelés actionneurs, destinés à améliorer l'efficacité de la pulvérisation. Des expériences ont été mises en place avec un injecteur simplifié pour étudier et modéliser la fragmentation de nappes liquides planes d'eau, d’éthanol et de kérosène. L'influence que pourrait avoir sur ce phénomène l'utilisation d’actionneurs plasmas a par la suite été mesurée. Ces actionneurs produisent un écoulement aérodynamique par l'intermédiaire de la génération de décharges électriques de surface (couronne ou DBD). Ce phénomène est appelé « vent ionique » et est utilisé dans notre application pour augmenter le cisaillement aérodynamique responsable des instabilités hydrodynamiques qui mènent à la pulvérisation de la nappe liquide.

L'entrée d'un véhicule spatial dans une atmosphère planétaire induit la formation d'une onde de choc hypersonique puis d'un plasma à haute température et à basse pression. Le plasma entourant ce véhicule rayonne fortement sur une large gamme spectrale, et le dimensionnement des protections thermiques du véhicule demande de quantifier ce rayonnement de façon précise. L'étude présentée analyse le rayonnement émis par un plasma d'entrée atmosphérique sur Mars. Un code de calcul raie-par-raie a été développé pour simuler le rayonnement d'un plasma de type Martien, et les propriétés radiatives à l'équilibre de ce plasma ont été simulées. Des mesures du rayonnement d'un plasma Martien ont ensuite été réalisées dans des moyens d'essai complémentaires. Les principaux systèmes moléculaires émissifs ont été identifiés, et un modèle théorique d'excitation de ces systèmes est proposé. L'étude est complétée par une analyse numérique et expérimentale de l'écoulement d'un plasma supersonique de type Martien dans le moyen d'essai arc-jet SR5.

Le sujet de la thèse est l’étude de l’influence d’une décharge électrique sur un écoulement supersonique raréfié le long d’une plaque plane. La plaque munie d’électrodes est plongée dans un écoulement supersonique (Mach 2) et à basse pression (8 Pa). Une décharge électrique négative est créée et stabilisée au-dessus de la maquette. Un chauffage de la plaque de 200K est mesuré par thermographie infrarouge, ainsi qu’un fort champ électrique localisé au-dessus de la cathode. La spectrométrie d’émission a permis de quantifier un chauffage du gaz, là encore au-dessus de la cathode. L’aérodynamique de la plaque est modifiée par la décharge : les profils de pression mesurés par tube de Pitot ont montré un épaississement de couche limite pour des puissances électriques de 30 W et plus. En outre, des mesures par jauge de contrainte ont indiqué une augmentation légère des forces subies par la plaque. Une simulation numérique par une méthode de Monte Carlo (DSMC) des effets de la décharge a été entreprise. Le vent ionique, conséquence du transfert de quantité de mouvement entre les ions accélérés par le champ électrique et les neutres est simulé, et il est démontré qu’il ne joue pas de rôle dans les conditions de vitesse rencontrées. Un apport d’énergie en volume a indiqué des changements importants dans les profils des grandeurs macroscopiques mais pour des valeurs certainement surévaluées de l’énergie introduite. Finalement, une simulation de type paroi chauffée, basée sur les valeurs de températures mesurées expérimentalement montre sur les profils de pression des changements en accord qualitatif avec les profils expérimentaux.

Le présent travail traite de l'application des techniques spectroscopiques aux plasmas et plus généralement aux milieux à hautes températures. Les bases de la spectroscopie d'émission, d'absorption et de fluorescence pour les molécules diatomiques sont tout d'abord rappelées ; puis l'utilisation des spectres synthétiques pour la mesure des températures est tout spécialement détaillée. La puissance de cette technique est soulignée mais l'accent est également mis sur le recul nécessaire à l'interprétation des températures obtenues. Le cas des molécules fortement excitées rotationnellement et vibrationnellement est mis en avant. La spectroscopie de l'ultraviolet du vide est évoquée et une nouvelle source utilisant des excimères de gaz rares est testée avec des résultats prometteurs dans ce domaine spectral. Par ailleurs, la fluorescence induite par laser des monoxydes de carbone, de silicium et d'azote est étudiée. Dans ce dernier cas, une approche théorique du schéma d'excitation permet de montrer que le régime linéaire constaté expérimentalement n'est pas prévisible simplement par le calcul. Une telle constatation remet en cause les valeurs absolues de concentration de NO obtenues d'après un modèle simple d'excitation de la bande. Les différentes techniques spectroscopiques sont ensuite appliquées expérimentalement sur deux installations. Tout d'abord, afin de reproduire l'entrée d'un engin spatial dans l'atmosphère de mars, une tuile en C-SIC est immergée dans un jet de plasma CO2-N2 basse pression généré par arc. La production de NO et de CN à la paroi suggère une action catalytique importante de l'azote ; un processus d'adsorption catalytique est proposé pour l'azote vibrationnellement excité. La présence de monoxyde de carbone métastable est également mise en évidence dans ce type de plasma. Enfin, la couche de choc devant une maquette cylindrique en inox plongée dans un écoulement hypersonique d'air est étudiée. Les mesures concernent la fluorescence du monoxyde d'azote et sont réalisées dans la soufflerie à piston libre TCM2 à Marseille. Deux conditions d'enthalpie (Mach = 5 et 10) sont considérées qui permettent de souligner l'importance de l'azote atomique dans la formation de NO à la paroi.