Modélisation d'un plasma impulsionnel pour la combustion supersonique

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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


Publié le : mardi 19 juin 2012
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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.
On présente ici les résultats préliminaires (exemple sur la figure 1) de la première étape pour
l’air pur. La distribution des espèces est considérée comme homogène (pas de diffusion).
Dans le cadre d’un plasma hors équilibre on tient compte des différents températures : T
g
température du gaz, T
e
température électronique et T
vib
température vibrationnel. La pression
est considérée constante et le système est adiabatique (H constant). Les températures
T
v
=2000 K et T
r
= 500 K du gaz sont extraites des mesures expérimentales au début de la
post-décharges. La concentration initiale des espèces est estimée sur la base de l’énergie
injectée dans la décharge, et l’évolution temporelle des concentrations molaires de toutes les
espèces est alors calculée. Chaque état vibrationnel jusqu’à environ v=13 de O
2
, N
2
et NO et
de leurs états électroniques excités est considéré comme une espèce distincte. Les taux de
transfert d’énergie V-V et V-T sont pris en compte, ce qui permet de calculer l’évolution de
population des états vibrationnels, et de comparer les résultats aux mesures expérimentales
de température vibrationnelle. Le modèle prend actuellement en compte 377 réactions et 68
espèces.
Figure 1
Evolution temporelle des états vibrationnels de N
2
(B, 1<v<8)
dans la post-décharge une décharge nanoseconde, avec
T
g
=500 et
T
vib
=2000K
References bibliographiques
[1] Pilla, G., Galley, D., Lacoste, D. A, Lacas, F., Veynante, D., and Laux, C. O (2006), IEEE
Transactions on Plasma Science 34(6):2471-2477.
[2] S.M.Starikovskaia, J. Phys. D: Appl. Phys. 39 (2006), R265-R299
[3] M.Capitelli, “Plasma Kinetics in atmospheric Gases”, Springer Series on Atomic, Optical,
and Plasma Physics
[4] D. Messina, B. Attal-Tretout, F. Grisch, Proceedings of the Combustion Institute
,
Volume 31, Issue 1, January 2007
[5] Kee R.J., Miller J.A and Jefferson, “CHEMKIN: a general pourpose problem –Indipendent,
Transportable, Fortran Chemical Kinetics” Sandia Laboratory Report SAND80-8003, 1980.
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