Présentation 3 - Contexte et objectifs du colloque
CAE XII Colloque sur les Arcs Electriques 16 – 17 Mars 2015 Modélisation collisionnelle-radiative du développement et de la relaxation d’une décharge laser nanoseconde dans H2 – O2 à pression atmosphérique Vincent MOREL, Bruno RENOU, Gilles CABOT, Pascal BOUBERT et Arnaud BULTEL CORIA UMR CNRS 6614, Université de Rouen, FRANCE CAE XII, Clermont-Ferrand, 15-16 Mars 2015 – A. BULTEL 1 Contexte & Objectifs Approche adoptée Résultats Conclusions & Perspectives Sommaire 1. Contexte & Objectifs 2. Approche adoptée 3. Résultats production O3 allumage plasma thermique 4. Conclusions & Perspectives CAE XII, Clermont-Ferrand, 15-16 Mars 2015 – A. BULTEL 2 Contexte & Objectifs Approche adoptée Résultats Conclusions & Perspectives Sommaire 1. Contexte & Objectifs 2. Approche adoptée 3. Résultats production O3 allumage plasma thermique 4. Conclusions & Perspectives CAE XII, Clermont-Ferrand, 15-16 Mars 2015 – A. BULTEL 3 Contexte & Objectifs Approche adoptée Résultats Conclusions & Perspectives Limitations de l’allumage d’un mélange combustible par BOUGIE (cf. N. Mokrani, S. Rudz & P. Gillard, hier matin…) 1. Pertes thermiques par conduction vers la bougie 2. Encombrement de la bougie 3. Variation cycle à cycle (déformation arc électrique) 4. Haute tension de claquage si espace inter-électrodes ↗ (mélanges pauvres) 5. Haute tension de claquage → arc annexe 6. A haute pression : tension de claquage ↗ Avantages potentiels de l’allumage par IMPULSION LASER 1. Dépôt d’énergie géométriquement contrôlé 2. Pertes thermiques réduites car pas d’électrodes 3. Dépôt d’énergie réalisé sur des temps très courts de l’ordre de quelques nanosecondes… CAE XII, Clermont-Ferrand, 15-16 Mars 2015 – A. BULTEL 4 Contexte & Objectifs Approche adoptée Résultats Conclusions & Perspectives Sommaire 1. Contexte & Objectifs 2. Approche adoptée 3. Résultats production O3 allumage plasma thermique 4. Conclusions & Perspectives CAE XII, Clermont-Ferrand, 15-16 Mars 2015 – A. BULTEL 5 Contexte & Objectifs Approche adoptée Résultats Conclusions & Perspectives Interaction laser-gaz 2 2 𝜔0 2 𝜔0 Flux laser L 𝜋𝜔0 2 𝛿𝑅 = 2 𝜆 Modèle sphérique si 𝜔0 tend vers 𝜆 → forte focalisation Traitement simplifié des aspects aérodynamiques Plasma central (2) Flux laser CAE XII, Clermont-Ferrand, 15-16 Mars 2015 – A. BULTEL 6 Contexte & Objectifs Approche adoptée Résultats Conclusions & Perspectives Interaction laser-gaz 2 2 𝜔0 2 𝜔0 Flux laser L 𝜋𝜔0 2 𝛿𝑅 = 2 𝜆 Modèle sphérique si 𝜔0 tend vers 𝜆 → forte focalisation Traitement simplifié des aspects aérodynamiques Plasma central (2) Gaz extérieur choqué (1) CAE XII, Clermont-Ferrand, 15-16 Mars 2015 – A. BULTEL 7 Contexte & Objectifs Approche adoptée Résultats Conclusions & Perspectives Modèle Deux couches en déséquilibres thermique (𝑇𝑒 ≠ 𝑇𝐴 ) et chimique (0) Atmosphère extérieure H2 – O2 (1) Gaz extérieur choqué (2) Surface de contact 𝑑𝑟01 𝑣𝑠𝑓 = 𝑒 𝑑𝑡 𝑟 𝑢1 = 𝑢1 𝑟, 𝑡 𝑒𝑟 Front de choc 𝑢2 = 𝑢2 (𝑟, 𝑡) 𝑒𝑟 𝑟12 𝑟01 𝑟 Plasma central 17 espèces prises en compte H2 O2 H H2+ O2+ H+ O OH H2O HO2 O+ O++ H3O+ e- CAE XII, Clermont-Ferrand, 15-16 Mars 2015 – A. BULTEL H2O2 O3 HO2 8 Contexte & Objectifs Approche adoptée Résultats Conclusions & Perspectives Modèle Aspects aérodynamiques Passage de choc → hypothèse Rankine-Hugoniot 𝜌0 𝑣𝑠𝑓 = 𝜌1 𝑣𝑠𝑓 − 𝑢1 (𝑟01 ) Masse 2 𝑝0 + 𝜌0 𝑣𝑠𝑓 = 𝑝1 + 𝜌1 𝑣𝑠𝑓 − 𝑢1 (𝑟01 ) (0) 𝜖0 + (1) 𝑝0 𝜌0 + 2 𝑣𝑠𝑓 2 = 𝜖1 + 𝑝1 𝜌1 + 𝑣𝑠𝑓 − 𝑢1 (𝑟01 ) 2 Quantité de mouvement 2 Energie 2 (2) Ecoulement purement radial avec 𝒑, 𝝆, 𝑻𝒆 , 𝑻𝑨 uniformes 𝑢1 𝑟, 𝑡 = 𝐴 𝑡 𝑟2 +𝐵 𝑡 𝑟 𝑢2 𝑟, 𝑡 = − 2 𝑑 𝑢2 𝑟12 16𝜋 𝑟12 = 𝑝2 − 𝑝1 𝑑𝑡 3 𝑀 𝑑 𝑀1 𝜖1 + 𝐸𝑐1 + 𝑀 𝜖2 + 𝐸𝑐2 = 𝜌0 𝜖0 𝑑𝑡 CAE XII, Clermont-Ferrand, 15-16 Mars 2015 – A. BULTEL 𝑟 𝑑 ln 𝜌2 3 𝑑𝑡 Masse Quantité de mouvement 2 𝑣𝑠𝑓 4𝜋𝑟01 − 4𝜋 𝑀 𝜌2 𝜀𝑅𝑅 + 𝜀𝑇𝐵 Energie 9 Contexte & Objectifs Approche adoptée Résultats Conclusions & Perspectives Modèle Processus élémentaires RAD. (0) (1) (2) COL. • Ionisation multiphotonique • Bremsstrahlung inverse / direct • Bremsstrahlung thermique (supposé optiquement mince) • Recombinaison radiative (supposée optiquement mince) • Collisions élastiques • Ionisation / recombinaison par impact électronique • Dissociation / recombinaison par impact de lourd • Recombinaison dissociative / ionisation associative • Echange de charge • Echange neutre / réassociation 200 processus élémentaires directs et inverses Bilan détaillé en déséquilibre thermique CAE XII, Clermont-Ferrand, 15-16 Mars 2015 – A. BULTEL 10 Contexte & Objectifs Approche adoptée Résultats Conclusions & Perspectives Sommaire 1. Contexte & Objectifs 2. Approche adoptée 3. Résultats production O3 allumage plasma thermique 4. Conclusions & Perspectives CAE XII, Clermont-Ferrand, 15-16 Mars 2015 – A. BULTEL 11 Contexte & Objectifs Approche adoptée Résultats Conclusions & Perspectives Conditions retenues Spiglanin et al. 1995 Mélange H2 – O2 stœchiométrique 𝑝0 = 1.013 × 105 𝑃𝑎 𝑇0 = 300 𝐾 𝜔0 ≈ 25 𝜇𝑚 𝜏 = 8 𝑛𝑠 𝐸 ≈ 𝑞𝑞 10 𝑚𝐽 𝜆 = 532 𝑛𝑚 𝜑𝑚𝑎𝑥 ≈ 1015 𝑊 𝑚−2 𝑡𝑑 = 11 𝑛𝑠 Conditions testées 𝐸 = 40 𝑚𝐽 𝐸 = 24 𝑚𝐽 𝐸 = 20 𝑚𝐽 Plasma thermique Allumage Production O3 CAE XII, Clermont-Ferrand, 15-16 Mars 2015 – A. BULTEL 12 Contexte & Objectifs Approche adoptée Résultats Conclusions & Perspectives Conditions testées Spiglanin et al. 1995 𝜔0 = 25 𝜇𝑚 𝐸 = 20 𝑚𝐽 𝜑𝑚𝑎𝑥 = 1.2 × 1015 𝑊 𝑚−2 𝛼𝑚𝑎𝑥 = 10−6 CAE XII, Clermont-Ferrand, 15-16 Mars 2015 – A. BULTEL 13 Contexte & Objectifs Approche adoptée Résultats Conclusions & Perspectives Conditions testées Spiglanin et al. 1995 𝜔0 = 25 𝜇𝑚 𝐸 = 20 𝑚𝐽 𝜑𝑚𝑎𝑥 = 1.2 × 1015 𝑊 𝑚−2 • Fort déséquilibre thermique initial • Faible surpression • Faible échauffement • Gaz environnant peu concerné… CAE XII, Clermont-Ferrand, 15-16 Mars 2015 – A. BULTEL 14 Contexte & Objectifs Approche adoptée Résultats Conclusions & Perspectives Conditions testées Spiglanin et al. 1995 𝜔0 = 25 𝜇𝑚 𝐸 = 20 𝑚𝐽 𝜑𝑚𝑎𝑥 = 1.2 × 1015 𝑊 𝑚−2 • Progression libre de l’onde de choc • ℳ𝑎 = 1 • Expansion quasi nulle du gaz central • Quasiment pas de mouvement CAE XII, Clermont-Ferrand, 15-16 Mars 2015 – A. BULTEL 15 Contexte & Objectifs Approche adoptée Résultats Conclusions & Perspectives Conditions testées Spiglanin et al. 1995 𝜔0 = 25 𝜇𝑚 • Aucune réactivité chimique dans (1) 𝐸 = 20 𝑚𝐽 𝜑𝑚𝑎𝑥 = 1.2 × 1015 𝑊 𝑚−2 • Réactivité chimique non nulle • Production de O3 (𝑥𝑂3 = 0.02) CAE XII, Clermont-Ferrand, 15-16 Mars 2015 – A. BULTEL 16 Contexte & Objectifs Approche adoptée Résultats Conclusions & Perspectives Conditions testées Spiglanin et al. 1995 𝜔0 = 25 𝜇𝑚 • 𝛼𝑚𝑎𝑥 = 3 × 10−6 𝐸 = 24 𝑚𝐽 𝜑𝑚𝑎𝑥 = 1.4 × 1015 𝑊 𝑚−2 • Allumage à 𝜏𝑎 = 4 × 10−5 𝑠 • 𝜏𝑎,𝐷𝑎𝑣𝑖𝑑𝑒𝑛𝑘𝑜 = 3 × 10−5 𝑠 CAE XII, Clermont-Ferrand, 15-16 Mars 2015 – A. BULTEL • 𝑇𝑓 = 2900 𝐾, forte car p ↗ 17 Contexte & Objectifs Approche adoptée Résultats Conclusions & Perspectives Conditions testées Spiglanin et al. 1995 𝜔0 = 25 𝜇𝑚 𝐸 = 24 𝑚𝐽 𝜑𝑚𝑎𝑥 = 1.4 × 1015 𝑊 𝑚−2 • Destruction O3 vers 2 × 10−6 𝑠 • Production H2O vers 4 × 10−5 𝑠 CAE XII, Clermont-Ferrand, 15-16 Mars 2015 – A. BULTEL 18 Contexte & Objectifs Approche adoptée Résultats Conclusions & Perspectives Conditions testées Spiglanin et al. 1995 𝜔0 = 25 𝜇𝑚 𝐸 = 40 𝑚𝐽 𝜑𝑚𝑎𝑥 = 2.3 × 1015 𝑊 𝑚−2 • 𝛼𝑚𝑎𝑥 = 7 × 10−3 CAE XII, Clermont-Ferrand, 15-16 Mars 2015 – A. BULTEL 19 Contexte & Objectifs Approche adoptée Résultats Conclusions & Perspectives Conditions testées Spiglanin et al. 1995 𝜔0 = 25 𝜇𝑚 𝐸 = 40 𝑚𝐽 𝜑𝑚𝑎𝑥 = 2.3 × 1015 𝑊 𝑚−2 • Très forte augmentation de 𝑇𝐴 dans (2) • Echauffement de (1) à 𝑇𝐴 = 1500 𝐾 • Déséquilibre thermique perdure… • Transfert d’énergie des lourds vers les epour la couche (1) CAE XII, Clermont-Ferrand, 15-16 Mars 2015 – A. BULTEL 20 Contexte & Objectifs Approche adoptée Résultats Conclusions & Perspectives Conditions testées Spiglanin et al. 1995 𝜔0 = 25 𝜇𝑚 𝐸 = 40 𝑚𝐽 𝜑𝑚𝑎𝑥 = 2.3 × 1015 𝑊 𝑚−2 • Surpression de 30 𝑝𝑎𝑡𝑚 • Relaxation terminée à 1𝜇𝑠 CAE XII, Clermont-Ferrand, 15-16 Mars 2015 – A. BULTEL 21 Contexte & Objectifs Approche adoptée Résultats Conclusions & Perspectives Conditions testées Spiglanin et al. 1995 𝜔0 = 25 𝜇𝑚 • Très forte compression de (1) 𝐸 = 40 𝑚𝐽 𝜑𝑚𝑎𝑥 = 2.3 × 1015 𝑊 𝑚−2 • ℳ𝑎 = 4.6 • Rayon × 4.5, volume × 90 CAE XII, Clermont-Ferrand, 15-16 Mars 2015 – A. BULTEL 22 Contexte & Objectifs Approche adoptée Résultats Conclusions & Perspectives Conditions testées Spiglanin et al. 1995 𝜔0 = 25 𝜇𝑚 𝐸 = 40 𝑚𝐽 𝜑𝑚𝑎𝑥 = 2.3 × 1015 𝑊 𝑚−2 • Limite hypersonique… • Ionisation intégrale • Faible réactivité chimique… • A l’état stationnaire : e-, H+, O, H CAE XII, Clermont-Ferrand, 15-16 Mars 2015 – A. BULTEL 23 Contexte & Objectifs Approche adoptée Résultats Conclusions & Perspectives Sommaire 1. Contexte & Objectifs 2. Approche adoptée 3. Résultats production O3 allumage plasma thermique 4. Conclusions & Perspectives CAE XII, Clermont-Ferrand, 15-16 Mars 2015 – A. BULTEL 24 Contexte & Objectifs Approche adoptée Résultats Conclusions & Perspectives Conclusions 1. Couplage cinétiques plasma – combustion 2. Couplage rayonnement – cinétique – aérodynamique supersonique 3. Très forte non-linéarité des résultats 4. Allumage réussi à faible fluence 5. Large gamme de situations obtenues : production O3 allumage plasma thermique Perspectives 1. Réussir à calculer des conditions très fortes (𝜑𝑚𝑎𝑥 ≈ 1016 𝑊 𝑚−2 ) 2. Transporter directement les états excités sans hypothèse d’équilibre 3. Validation dans la mesure du possible… 4. Application à d’autres mélanges combustibles (CH4 – air) 5. Application à d’autres situations… CAE XII, Clermont-Ferrand, 15-16 Mars 2015 – A. BULTEL 25 Contexte & Objectifs Approche adoptée Résultats Conclusions & Perspectives V. Morel et al., Spectrochim. Acta B 103-104 (2015) 112-123 Impulsion ps (10 𝑚𝐽) Aluminium solide CAE XII, Clermont-Ferrand, 15-16 Mars 2015 – A. BULTEL 26 Contexte & Objectifs Approche adoptée Résultats Conclusions & Perspectives • Transport des états excités de l’aluminium… • Diagramme de Boltzmann… CAE XII, Clermont-Ferrand, 15-16 Mars 2015 – A. BULTEL 27 CAE XII, Clermont-Ferrand, 15-16 Mars 2015 – A. BULTEL 28 Schéma cinétique (1) CAE XII, Clermont-Ferrand, 15-16 Mars 2015 – A. BULTEL 29 Schéma cinétique (2) CAE XII, Clermont-Ferrand, 15-16 Mars 2015 – A. BULTEL 30 Schéma cinétique (3) CAE XII, Clermont-Ferrand, 15-16 Mars 2015 – A. BULTEL 31
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