Les modélisations physiques d'un écoulement supersonique de plasma d'azote basse pression

par Anne Bourdon

Thèse de doctorat en Physique

Sous la direction de Pierre Vervisch.

Soutenue en 1995

à Rouen .

mots clés

• Simulation ordinateur
• Etude expérimentale
• Computerized simulation
• Experimental study
• Plasma flow
• Supersonic flow
• Partially ionized plasma
• Non-equilibrium plasma
• Free jet
• Boundary layers
• Nitrogen molecules
• Argon
• Plasmas (gaz ionisés)
• Plasmas (gaz ionisés) -- Turbulence
• Azote
• Argon
• Jets de plasma
• Aérodynamique supersonique
• Couche limite

Résumé

Ce mémoire présente une étude critique et une tentative de validation des modèles physiques utilisés pour simuler des écoulements gazeux partiellement ionisés hors équilibre thermique et chimique. Cette étude se base sur les nombreuses mesures réalisées au laboratoire de Rouen dans un écoulement de plasma basse pression d'azote en situations de jet libre et de couche limite de type plaque plane, et secondairement dans un plasma d'argon en situation de couche limite (chapitre 1). Nous établissons dans le chapitre 2, les équations générales de conservation nécessaires à la modélisation macroscopique des écoulements de plasmas hors équilibre. Les hypothèses nécessaires sont particulièrement analysées. La modélisation des termes de transport (chapitre 3), des termes sources chimiques (chapitre 4) et des termes d'échanges d'énergie (chapitre 5) est ensuite étudiée. Ce travail se base sur une étude bibliographique approfondie. De nouvelles formulations sont proposées pour le coefficient de recombinaison à trois corps de l'ion N+ et le terme d'échange d'énergie électron-vibration. La délicate modélisation du terme de couplage translation-vibration est également analysée. Malgré la complexité de l'écoulement, l'étude du jet libre d'azote (chapitre 6) nous a permis d'obtenir un accord assez satisfaisant entre notre modélisation actuelle et l'expérience sur les profils axiaux et radiaux de nombreux paramètres. La modélisation des deux couches limites (chapitre 7) s'est avérée plus délicate. En particulier dans l'azote, l'écriture de la condition à la paroi pour les espèces reste un problème ouvert. Notre modèle pour le terme électron-vibration, nous permet de déduire des mesures de température électronique à notre disposition, des informations sur l'excitation vibrationnelle du plasma. Notamment, cette étude permet de mettre en évidence un faible coefficient d'accommodation de la vibration sur la paroi métallique utilisée. L'ensemble de ce travail illustre l'intérêt d'une approche complémentaire expérience-modélisation afin de mieux comprendre ce type d'écoulement complexe

Titre traduit

The physical models for a low pressure supersonic nitrogen plasma flow

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