Etude de l'aérodynamique des jets de plasma à pression atmosphérique

Estudo da aerodinâmica de jatos de plasma à pressão atmosférica

Aerodynamic study of atmospheric-pressure plasma jets

• Auteur / Autrice : Duarte Gonçalves
• Direction : Stéphane Pasquiers, Luís Lemos Alves, João Barbosa dos Santos Freitas e Sousa
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 20/12/2024
• Etablissement(s) : université Paris-Saclay en cotutelle avec Instituto superior técnico (Lisbonne)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Ondes et matière (Orsay, Essonne ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de physique des gaz et des plasmas (Orsay, Essonne ; 1965-....) - Instituto de Plasmas e Fusão Nuclear (Lisbonne ; 2008-....)
• Partenaire(s) de recherche : Référent : Université Paris-Saclay. Faculté des sciences d’Orsay (Essonne ; 2020-....)
• Partenaire(s) de recherche : graduate school : Université Paris-Saclay. Graduate School Physique (2020-….)
• Jury : Président / Présidente : Christophe Laux
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Mário António Prazeres Lino Da Silva, Stephan Reuter, Claire Douat
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Mário António Prazeres Lino Da Silva, Stephan Reuter
• DOI : 10.70675/8c4a0760z18b7z4de7z9637zf73eb1e7f9fc

Mots clés

Mots clés contrôlés

Modélisation CFD

Diagnostics de plasma

Micro-jets de plasma

Plasmas froids

Argon

Pression atmosphérique

Mots clés libres

Aérodynamique des plasmas

Mécanique des fluides numérique

Jets de plasma

Spectroscopie

Schlieren

Aerodinâmica de plasmas

Mecânica de fluidos computacional

Jatos de plasma

Espectroscopia

Schlieren

Aerodynamic of plasmas

Computational fluid dynamics

Plasma jets

Spectroscopy

Schlieren

Résumé

Les jets de plasma à pression atmosphérique (JPPAs) étendent le plasma au-delà des parois d'un réacteur. Ces sources de plasma produisent et délivrent des espèces réactives à des matériaux sensibles. En conséquence, les JPPAs ont de nombreuses applications en biologie, médecine, analyse chimique et traitement des matériaux. Les JPPAs sont produits par le passage répétitif d'ondes d'ionisation (OI), guidées en aval par l'écoulement. À leur tour, les OI perturbent l'écoulement à chaque passage. L'étude de l'aérodynamique des JPPAs offre un chemin pour comprendre le couplage plasma-écoulement. Dans ce travail, nous étudions un JPPA d'argon coaxial, avec du gaz de blindage de N₂ et O₂, à travers des expérimentations et de la modélisation. Les expériences montrent deux décharges produites par une impulsion de tension appliquée : une à la montée et une autre à la descente. Chaque décharge produit des métastables d'argon, dont la densité peut être modulée en variant la fraction d'O₂ dans le gaz de blindage. Les températures rotationnelles et vibrationnelles augmentent pendant les décharges, indiquant des transferts d'énergie des électrons aux espèces lourdes. Nous visualisons le jet par imagerie de Schlieren, y compris comment une seule décharge crée des perturbations d'écoulement. En parallèle, nous avons adapté le code SPARK-CFD, initialement écrit pour les plasmas de rentrée, pour simuler les JPPAs sur plusieurs impulsions. Les simulations non réactives montrent comment la géométrie du réacteur affecte la vitesse et la composition chimique dans les jets simples et coaxiaux. Les simulations de JPPA montrent un chauffage des électrons et une excitation et ionisation subséquentes des atomes et molécules. Ce transfert d'énergie provoque une augmentation rapide de la température/pression, modifiant le champ de vitesse du jet. Ces effets s'accumulent sur plusieurs impulsions, changeant les profils spatiaux et temporels du jet et des espèces réactives. Finalement, la version adaptée de SPARK-CFD sera publiée en open-source, fournissant un code pour des simulations des plasmas subsoniques et hypersoniques.

Os jatos de plasma à pressão atmosférica (JPPAs) estendem um plasma além das paredes do reator. Estes plasmas são versáteis, produzindo e transportando espécies reativas que podem ser aplicadas em materiais sensíveis. São assim usados por em várias indústrias como a biológica, médica, de análise química e de processamento de materiais. Os JPPAs são produzidos pela passagem repetitiva de ondas de ionização (OIs), que são guiadas a jusante pelo escoamento. sendo este também perturbado pelo próprio plasma. Estudar a aerodinâmica dos JPPAs fornece um caminho para entender o acoplamento plasma-escoamento. Nesta tese, estudámos um JPPA coaxial de árgon, blindado por uma mistura de N₂ e O₂, através de experiências e modelização numérica. Experimentalmente observam-se duas descargas elétricas durante cada pulso de tensão aplicada: uma na subida e outra na descida do pulso. Cada descarga produz metaestáveis de árgon, cuja densidade pode ser modulada variando a fração de O₂ no gás de blindagem. Temperaturas rotacionais e vibracionais aumentam durante as descargas, indicando uma transferência rápida de energia entre eletrões e espécies pesadas. Imagiologia de Schlieren permite-nos ver o escoamento, incluindo como uma única descarga cria perturbações coerentes no mesmo. Paralelamente, adaptamos o código SPARK, inicialmente escrito para plasmas de reentrada atmosférica, para simular APPJs ao longo de múltiplos pulsos. Simulações mostram como a geometria do reator afeta a velocidade e a composição química do escoamento em jatos simples e coaxiais. Com plasma, nota-se o aquecimento dos eletrões e subsequente excitação e ionização de átomos e moléculas. Esta transferência de energia para espécies pesadas causa um aumento de temperatura e pressão, alterando o campo de velocidade do jato. Estes efeitos acumulam-se ao longo de múltiplos pulsos, mudando o perfil espaciotemporal do jato e das espécies reativas. Por fim, a versão adaptada do SPARK-CFD será lançada em código aberto, fornecendo uma ferramenta para simulações temporalmente precisas de plasmas subsónicos e hipersónicos.

Cold atmospheric pressure plasma jets (APPJs) extend plasma beyond the walls of a reactor. These versatile plasma sources produce and deliver reactive species to sensitive materials. Accordingly, APPJs have many applications in biology, medicine, chemical analysis, and material processing. APPJs are produced by the repetitive passage of ionization waves (IWs), which are guided downstream by the flow. In turn, IWs perturb the flow at each passage. Studying the aerodynamics of APPJs provides a path to understanding the plasma-flow coupling. In this work, we study a co-axial argon APPJ with varying N₂ and O₂ shielding gas mixtures through experimental approaches and computational modelling. Experiments show two discharges produced by a square pulse of applied voltage: one at the rising and another at the falling edge. Each discharge produces argon metastables, whose maximum density can be modulated by varying the fraction of O₂ in the shielding gas. Rotational and vibrational temperatures increase during the discharges, indicating fast energy transfers from electrons to heavy species. We visualize the jet through Schlieren imaging, including how a single discharge creates coherent flow perturbations. In parallel, we adapted the SPARK code, initially designed for reentry plasmas, to simulate APPJs pulse-by-pulse and across multiple pulses. Non-reactive simulations show how the reactor's geometry affects the velocity and chemical composition in single and co-axial jet flows. In agreement with experiments, plasma jet simulations show electron heating and subsequent excitation and ionization of atoms and molecules. This energy transfer to heavy species causes a fast temperature/pressure increase, altering the velocity field of the jet. These effects accumulate over multiple pulses, changing the jet and reactive species' spatial and temporal profiles. Finally, the adapted version of SPARK will be released as open-source, providing a code for temporally accurate simulations of plasmas, including flows in subsonic and hypersonic conditions.