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Modélisation d'un plasma impulsionnel pour la combustion supersonique

De
3 pages
Niveau: Supérieur, Doctorat, Bac+8
Modélisation d'un plasma impulsionnel pour la combustion supersonique S. Abbate1, D. Packan1, C. Laux2 1ONERA 2ECP, Laboratoire EM2C Introduction La combustion assistée par plasma, consistant à améliorer la qualité de la combustion (rapidité d'inflammation, raccrochement de flammes, etc…) à l'aide de décharges électriques est étudié intensément depuis une dizaine d'année [1],[2]. Plusieurs laboratoires, en France, en Russe et aux Etats-Unis, ont étudié expérimentalement les avantages apportés à la combustion des mélanges d'air et d'hydrocarbures par l'utilisation de différentes sources plasma (décharge impulsionnel, décharge couronne, décharge micro-onde, décharge DBD). Les effets des décharges se manifestent entre autres par une diminution du délai d'inflammation, une augmentation de la limite d'auto-inflammation, une variation de la vitesse de soufflage de la flamme, ou une diminution de concentration des NOx et SOx dans les gaz brûlés. Notamment, la diminution du délai d'inflammation peu potentiellement devenir une des clés du développement de combustion supersonique. La compréhension des mécanismes qui régissent ces effets est loin d'être complète, mais semble nécessaire afin de pouvoir envisager une application aux moteurs aérobie, ce qui appel à un effort important de modélisation plasma. Modélisation d'une décharge impulsionnelle La méthode de combustion assistée par plasma envisagée utilise des impulsions électriques nanosecondes répétitives à haute cadence.

  • clés du développement de combustion supersonique

  • plasma

  • expansion du gaz

  • sox dans les gaz brûlés

  • base de l'énergie injectée dans la décharge

  • impulsion électrique

  • tvib température vibrationnel

  • décharge


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Modélisation d’un plasma impulsionnel pour la
combustion supersonique
S. Abbate
1
, D. Packan
1
, C. Laux
2
1
ONERA
2
ECP, Laboratoire EM2C
Introduction
La combustion assistée par plasma, consistant à améliorer la qualité de la combustion
(rapidité d’inflammation, raccrochement de flammes, etc…) à l’aide de décharges électriques
est étudié intensément depuis une dizaine d’année [1],[2]. Plusieurs laboratoires, en France,
en Russe et aux Etats-Unis, ont étudié expérimentalement les avantages apportés à la
combustion des mélanges d’air et d’hydrocarbures par l’utilisation de différentes sources
plasma (décharge impulsionnel, décharge couronne, décharge micro-onde, décharge DBD).
Les effets des décharges se manifestent entre autres par une diminution du délai
d’inflammation, une augmentation de la limite d’auto-inflammation, une variation de la vitesse
de soufflage de la flamme, ou une diminution de concentration des NOx et SOx dans les gaz
brûlés. Notamment, la diminution du délai d’inflammation peu potentiellement devenir une
des clés du développement de combustion supersonique. La compréhension des
mécanismes qui régissent ces effets est loin d’être complète, mais semble nécessaire afin
de pouvoir envisager une application aux moteurs aérobie, ce qui appel à un effort important
de modélisation plasma.
Modélisation d’une décharge impulsionnelle
La méthode de combustion assistée par plasma envisagée utilise des impulsions électriques
nanosecondes répétitives à haute cadence. La modélisation de cette décharge passe par la
modélisation d’un impulsion individuelle, que l’on divise en deux processus successifs: la
décharge (le plasma proprement dit) dans lequel les espèces excitée (ions, radicaux,
molécules vibrationnellement excitées [3]) sont créées par collision avec les électrons
énergétisés par le champ électrique, et la post-décharge durant laquelle ces espèces se
recombinent, diffusent et chauffent le mélange.
L’évolution physico-chimique de chaque processus doit être analysé en détail, et on
s’appuira sur des mesures expérimentales de température vibrationnelle et rotationnelle par
DRASC [4]. Un modèle cinétique réactionnel complet comprenant toutes les réactions
(excitation électronique, dissociation, ionisation, excitation des modes internes) et les
espèces permettra de mettre en évidence les processus chimiques les plus importants dans
la décharge plasma et dans la post décharge, ainsi que de comprendre la redistribution de
l’énergie de la décharge entre les différents modes d’excitation.
Dans un premier temps on étudie la post-décharge, car les données expérimentales sont
plus
nombreuses
dans
cette
phase
du
processus.
Deux
approximations
seront
successivement utilisées :
1 – Dans un première étape le système est étudié en 0 D avec le logiciel du logiciel
CHEMKIN [5] modifié. Dans le cas de la décharge le logiciel CHEMKIN2T, modifié par
C. Laux, sera utilisé.
2 – Dans une deuxième étape, on utilisera un logiciel commercial afin de prendre en compte
les phénomènes hydrodynamiques simples (expansion du gaz) et la diffusion d’espèces et
d’énergie dans un modèle 1D axisymmétrique de la géométrie cylindrique de décharge.
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