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

Aerodynamic study of atmospheric-pressure plasma jets

• Auteur / Autrice : Duarte BARRETO GONçALVES
• Direction : Stéphane Pasquiers, Lemos Alves Luis
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Physique
• Date : Inscription en doctorat le 01/12/2020
• Etablissement(s) : université Paris-Saclay en cotutelle avec Instituto Superior Técnico of Universidade de Lisboa
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Ondes et Matière
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de Physique des Gaz et des Plasmas
• Partenaire(s) de recherche : référent : Faculté des sciences d'Orsay

Mots clés

Mots clés libres

Aérodynamique

Plasma

Jet

Jet

Aerodynamic

Plasma

Résumé

Ce projet de thèse est consacré à l'étude aérodynamique, expérimentalement et par simulation, des jets de plasma froid d'argon à pression atmosphérique (APPJ), se propageant dans l'air ambiant ou les mélanges N2/O2. Les simulations utiliseront le code hypersonique SPARK (un progiciel d'aérothermodynamique, de rayonnement et de cinétique) mis au point à l'IPFN / IST (Université de Lisbonne, Portugal), qui incorporera les mécanismes de réaction pertinents pour le mélange Ar-N2-O2 et sera étendu aux situations de non équilibre (caractérisées par la température des gaz, température ambiante bien inférieure à la température électronique ~ 10000 K) et aux écoulements subsoniques (pour lesquels différents maillages et conditions aux limites sont requis), comme ceux que l'on trouve généralement dans les APPJ. Les expériences seront effectuées en utilisant les installations et équipements du partenaire français, l'équipe Dirébio au LPGP (Université Paris-Saclay), où plusieurs micro-structures à décharge à barrière diélectrique ont été construites pour générer des jets de micro-plasma Ar (dans des capillaires de 1 à 2 mm) se propageant dans l'air ambiant, pour un écoulement à débits compris entre 50 mL/min et 5 L/min. Les diagnostics expérimentaux seront des mesures électriques, de l'imagerie rapide ICCD, la spectroscopie d'émission optique, la spectroscopie d'absorption large bande (UV et infrarouge), ainsi que la spectroscopie laser IR, afin d'obtenir la distribution spatiotemporelle des densités et des températures des principales espèces du plasma, et d'étudier la stabilité de l'APPJ se propageant librement dans l'atmosphère environnante. Les résultats obtenus seront importants pour la communauté des physiciens des plasmas de basse température, l'étude fournissant un outil de modélisation aérodynamique pour un écoulement subsonique gaz / plasma, et offrant une meilleure compréhension des interactions plasma-écoulement se produisant pour différentes compositions de mélange N2/O2 interagissant avec le jet Ar se propageant à différents débits.

This thesis project is dedicated to the aerodynamic study of non-equilibrium atmospheric-pressure plasma jets (APPJs) of argon, propagating through ambient air, leveraging on an interplay between simulations and experiments. Simulations will use the hypersonic code SPARK (a Software Package for Aerothermodynamics, Radiation and Kinetics) developed at IPFN/IST, which will incorporate the relevant Ar-N2-O2 reaction mechanisms, being extended to non-equilibrium situations (characterized by gas temperatures around room temperature, much lower than ~10000 K electron temperatures) and to subsonic flows (for which different meshes and boundary conditions are required), as those typically found in APPJs. Experiments will be carried out using the laboratory facilities and equipment of our expert partners at the LPGP/UPS, where several dielectric barrier discharge micro-structures have been built to generate Ar micro-plasma jets (within 1-2mm capillaries) propagating through the ambient air, for a flow operation between 50 mL min-1 and 5 L min-1. The experimental diagnostics will involve electrical measurements, fast imaging, spatially and temporally resolved OES, FTIR and IR spectroscopy, and laser and UV absorption spectroscopy, to obtain the spatiotemporal distribution of the densities and temperatures of the main plasma species, and to study the stability of the free APPJ. The outcome will be important for the community of Low-Temperature Plasmas at large, delivering an aerodynamic modelling tool for a gas/plasma subsonic flow, providing a better understanding of the plasma-flow interactions occurring for different mixtures compositions of the Ar jet with the N2-O2 surrounding shielding, at various flow rates.