Etude de l'écoulement gazeux, au sein et à l'extérieur d'une torche de projection à plasma d'arc soufflé, à l'aide du code PHOENICSTm

Gas flow study, inside and outside a D. C. Plasma spraying torch, using the PHOENICSTm code

• Auteur / Autrice : Pascale Eichert
• Direction : Christian Coddet
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences pour l'Ingénieur. Science des Matériaux
• Date : Soutenance en 1996
• Etablissement(s) : Besançon
• Partenaire(s) de recherche : Autre partenaire : Université de Franche-comté. UFR des Sciences, Techniques et Gestion de l'Industrie

Mots clés

Mots clés contrôlés

Jets de plasma

Modèles mathématiques

Gaz -- Écoulement

Résumé

Les travaux développés dans cette étude ont visé à modéliser les écoulements de jets de plasmas thermiques utilisé&s habituellement en projection à la torche à plasma d'arc soufflé à l'aide du code de calcul PHOENICSTm. La détermination des différents paramètres de l'étude a été réalisé à travers une recherche bibliographique, à savoir, par exemple, les hypothèses simplificatrices, le domaine d'étude, les conditions aux limites et les propriétés du mélange de gaz étudié. La modélisation de l'écoulement, depuis l'injection des gazs froids au sein de la buse jusqu'à l'éjection du plasma, ne nécessite pas l'utilisation d'équations de conservation des espèces chimiques car l'hypothèse d'un écoulement à l'équilibre chimique permet d'employer des données de la littérature où les grandeurs thermodynamiques et les coefficients de transport du mélange étudié (argon-hydrogène) ont été calculés à partir de la composition à l'équilibre du mélange et donnés en fonction de la température et pour la pression atmosphérique. Les équations de bilan sont discréditées par une approche de type volumes finis et le système d'équations algébriques non-linéaire et couplé est résolu à l'aide de l'algorithme SIMPLEST implanté dans le code. La confrontation des résultats avec des données de la littérature montre un bon accord dans la prédiction des écoulements. L'application du modèle est réalisée par l'étude de l'influence de la valeur de la puissance électrique sur l'écoulement. Les caractéristiques des jets libres thermiques subsoniques ainsi que les évolutions des grandeurs (température et vitesse) dans les directions axiale et radiale sont comparées aux observations puisées dans la littérature. L'estimation de l'entraînement de fluide ambiant dans les jets apporte un complément d'information. La difficulté d'approximation de la forme des profils radiaux en sortie de buse par des expressions mathématiques classiques est mise en évidence.

The present work was devoted to the modeling of flows of plasma jets often used within the D. C. Plasma spraying technology by implementation of the CFD PHOENICSTm code. The definition of the different parameters of the study was made through the literature search, for example concerning the assumptions, the studied domain, the boundary conditions and the gas mixtures properties. The flow modelling, from the cold gases injection into the torch to the plasma ejection, not necessitates the use of equations of chemical species conservation because of the chemical equilibrium assumption which permits to use data from the literature where the thermodynamic data and the transport coefficients have been calculated from the chemical composition of gas mixtures and are given in function of the temperature and for the atmospheric pressure. The conservation equations are discretized by a finite volume approach and the non-linear and coupled set of algebraic equations is solved using the SIMPLEST algorithm implemented into the code. The comparison of the results with data from the literature shows a good agreement for the flow prediction of plasma jets. The model is applied to the study of the electric power value influence on the flow. The free thermal subsonic jets characteristics (temperature and velocity) are compared to observations taken from the literature. The study of the ambient gas entrainment gives a complementary information. The difficulty of approximation of the radial profiles at the torch exit by simple relationships is also put into evidence.