Contribution to the study of two-temperature plasmas properties - Application to Argon and Air
Contribution à l'étude des propriétés des plasmas à deux températures - application à l'argon et à l'air
Résumé
In the field of thermal plasmas, numerous industrial processes are characterized by assuming thermal equilibrium. However, these equilibrium conditions are not fulfilled near the boundary of plasmas created by electric arcs or plasma jets. The deviations from the equilibrium change then considerably the kinetics of the chemical environment and can affect the process being studied. Understanding, analysis and prediction of these processes require a modeling of two temperature plasma physics (2T). This model is based on the prior calculation of 2T plasma properties calculation which is the subject of this thesis. The first part of this work is devoted to calculate the two temperatures plasma composition. There are several theories in the literature to calculate the densities of species for non-equilibrium plasma but the originality of this work is in the establishment of a "pseudo-kinetic" law governing the settlement of species for the intermediate temperatures. The second part concerns the calculation of thermodynamic properties. It is based on a literature review of existing methodologies and data necessary to obtain such properties. A special effort is made to separate the contributions of those electrons and heavy particles in exchanges of energy. The last part of this thesis is dedicated to the calculation of transport coefficients. We discuss the outline of calculations intermediate properties before introducing the different theories available in literature. All results were validated by comparing the calculation to LTE with the literature.
Dans le domaine des plasmas thermiques, de nombreux procédés industriels sont caractérisés en supposant l'équilibre thermique. Cependant ces conditions d'équilibre ne sont pas remplies près des bords des plasmas crées par des arcs électriques ou des jets de plasmas. Les écarts à l'équilibre modifient alors considérablement la cinétique chimique du milieu et peuvent affecter le procédé étudié. La compréhension, l'analyse et la prédiction de ces procédés demandent alors une modélisation physique du plasma à deux températures (2T). Cette modélisation s'appuie sur le calcul préalable des propriétés du plasma 2T, calcul qui fait l'objet de cette thèse. La première partie de ce travail est consacrée au calcul de la composition d'un plasma à 2T. Il existe dans la littérature plusieurs théories permettant de calculer les densités des espèces pour un plasma hors équilibre mais l'originalité de ce travail se trouve dans l'établissement d'une loi « pseudo cinétique » régissant le peuplement des espèces. La seconde partie concerne le calcul des propriétés thermodynamiques. Elle s'appuie sur une étude bibliographique des méthodes de calcul déjà existantes et des données indispensables à l'obtention de telles propriétés. Un effort particulier est fait pour séparer les contributions des électrons et celles des particules lourdes dans les échanges d'énergie. La dernière partie de cette thèse est dédiée aux calculs des coefficients de transport. Nous évoquons les grandes lignes de calculs des propriétés intermédiaires avant de présenter les différentes théories existantes dans la littérature. Tous les résultats ont été validés par confrontation du calcul à l'ETL avec la littérature.
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