Développement d’outils numériques couplant cinétique chimique et plasma hors-équilibre pour l’analyse conjointe modélisation/expérience

Les technologies plasma sont déjà matures pour de nombreuses applications industrielles mais présentent toujours un potentiel très important dans les domaines de la transition énergétique1 comme celui de la propulsion aéronautique2 et spatiale. Les technologies associées sont très variées, par exemple, un réacteur catalytique pour le stockage de CO2 ou des systèmes d’allumage adaptés au contrôle des processus de combustion. Quelle que soit l’application, des recherches sont nécessaires pour comprendre les interactions entre le plasma et l’écoulement. Ces études vont nécessiter des outils numériques de simulation pour compléter les données expérimentales. Un des principaux verrous au développement de ces outils est la modélisation de la cinétique chimique en présence d’un très grand nombre d’espèces chargées et de réactions induites par le plasma. La voie envisagée dans le cadre de ce projet pour aborder ces problèmes physiques multidimensionnels est l’analyse conjointe de la modélisation et des expériences. Les données issues d’expérience permettront de corriger ou d’optimiser des paramètres de modèles fluides basés sur une représentation simplifiée de la cinétique chimique. Une première étape consiste à développer des outils numériques simples (0D/1D) couplant un solveur de Boltzmann (librairie Bolos3) à un solveur de cinétique chimique (librairie Cantera4) pour décrire de manière la plus détaillée possible la cinétique des réactions chimiques en présence d’un plasma hors-équilibre. Ces outils serviront ensuite à développer des modèles du couplage plasma/cinétique pouvant être implémentés par la suite dans des modèles fluides classiques. Les résultats complèteront des données expérimentales pour analyser l’impact du plasma sur l’écoulement.

Les recherches réalisées dans les laboratoires Poitevin Pprime et IC2MP concernent des disciplines très variées couvrant un large spectre de thématiques et de compétences complémentaires allant de la physique des matériaux à la mécanique des fluides, de la chimie à l’énergétique. Ce projet se situe à l’interface entre les recherches sur les plasmas qui sont aujourd’hui essentiellement expérimentales sur le site de Poitiers et les activités en simulations numériques des écoulements réactifs. L’objectif est donc de développer des outils numériques sur la base des compétences des équipes de combustion pour compléter les outils d’analyse dédiés aux études expérimentales sur les plasmas froids. Le candidat devra donc avoir de solides connaissances sur les plasmas froids et un intérêt prononcé pour la programmation et les développements numériques.

Références

1 Bogaerts, A., Centi, G., Plasma Technology for CO2 Conversion: A Personal Perspective on Prospects and Gaps, Front. Energy Res. 2020, 8, 111. https://doi.org/10.3389/fenrg.2020.00111

2 M. Castela et al., 3-D DNS and experimental study of the effect of the recirculating flow pattern inside a reactive kernel produced by nanosecond plasma discharges in a methane-air mixture, Proceedings of the Combustion Institute, 2017, 36(3), 4095—4103. https://doi.org/10.1016/j.proci.2016.06.174

3 Hagelaar, G. J. M., Pitchford, L. C., Solving the Boltzmann equation to obtain electron transport coefficients and rate coefficients for fluid models, Plasma Sources Sci. Technol., 2005, 14, 722–733. https://doi.org/10.1088/0963-0252/14/4/011

4 D. G. Goodwin et al., Cantera: An Object-oriented Software Toolkit for Chemical Kinetics, Thermodynamics, and Transport Processes. 2009, https://doi:10.5281/zenodo.1174508

Date de prise de fonction : Avril 2022

Durée du contrat : 5 à 6 mois

Contacts

Vincent ROBIN vincent.robin@ensma.fr

Ashwin Chinnayya ashwin.chinnayya@ensma.fr

Stage Ingé. / M2 – 

Étude expérimentale de l’influence de la rugosité et de l’émissivité 
de surface sur un écoulement de convection naturelle en cavité

Les écoulements de convection naturelle sont présents à la fois dans la nature: dans les océans, l’atmosphère, le manteau terrestre… et dans de nombreux domaines industriels: dans les centrales nucléaires, en thermique sous capot dans le domaine de l’automobile, … Du fait de cette omniprésence, ces écoulements sont étudiés depuis de nombreuses années. Ils peuvent se produire dès qu’il y a gradient de température dans le fluide. En raison, du fort couplage entre vitesse et température, les transferts thermiques et massiques observés sont fortement sensibles aux perturbations ainsi qu’aux conditions aux limites et initiales. C’est notamment ce qui les rend difficile à appréhender, mais c’est aussi pourquoi ils sont particulièrement intéressants à investiguer. Pour de nombreuses applications, ces situations d’écoulement et de transferts constituent le cas limitant qu’il faut prendre en considération dès la conception d’un système, en cas de panne et en particulier lorsque le process peut conduire à la destruction du système considéré et/ou de son environnement.

La présence de rugosité sur les parois ainsi que les propriétés radiatives des surfaces peuvent complètement modifier les conditions aux limites pariétales et avoir un impact sur l’écoulement et les transferts de chaleurs au sein du système considéré. C’est pourquoi dans ce travail nous proposons d’étudier et quantifier expérimentalement cet impact dans des situations pour lesquelles les conditions aux limites sont connues et bien maitrisées en particulier pour des régimes turbulents.

Un nouveau dispositif permettant l’étude d’un panache thermique confiné en cavité est en cours de réalisation. Ce dispositif est un cube de 1m d’arrête et le fluide étudié est de l’air. Une source chaude sera placée au centre du dispositif sur la paroi inférieure. L’écoulement issu de cette source chaude est appelé panache thermique. Le stagiaire sera dans un premier temps amené à aider à la finalisation du dispositif expérimental. Dans un second temps, il devra caractériser l’écoulement dans une configuration de référence limitant au maximum les aspects radiatifs et avec des parois lisses. Des mesures de champs de vitesses dans le plan vertical médian seront menées par technique laser (PIV) et des mesures de températures seront menées par micro-thermocouple. Enfin ces mesures seront reproduites en changeant les propriétés des parois.

Les retombées attendues sont le développement de nouvelles stratégies passives, peu couteuses et robustes permettant d’augmenter ou diminuer les transferts thermiques via un choix optimisé des propriétés des surfaces.

Ce stage de 5 à 6 mois pourra être prolongé par une thèse.

Mots clés : Etude expérimentale, convection, transfert thermique, interface.

Lieu : Institut Pprime. Département : Fluide, Thermique et Combustion – Equipe: COST.
Encadrants : F. Moreau (florian.moreau@ensma.fr ) et D. Saury (didier.saury@ensma.fr)