Multidimensional simulation of a helium cold plasma jet for biomedical applications
Simulation multidimensionnelle d'un jet de plasma froid d'hélium pour des applications biomédicales
Résumé
The cold plasma jets can be generated in helium-air mixtures by circulating helium in a tube that opens to the ambient air and by feeding pulsed high voltage on annular electrodes glued around the tube. Experimental studies have shown that these plasma jets are in fact composed of a succession of ionization waves guided by the helium channel. These ionization waves generate charged or unloaded active species that can be applied to animal or plant cells or serve to activate a liquid medium. The applications are multiple and concern, for example, scarring, cancer treatment, decontamination, cellular activation or help with germination and plant growth. The aim of this thesis is to build, using the COMSOL commercial software, a 2D model of the gas mixture flow coupled to ionization wave dynamics to better understand the formation of the discharge and the physicochemical characteristics of the jet that flows from it. The simulation of these devices is however very complex because of (i) the dependence of the chemical kinetics and the transport phenomena of the charged species as a function of the composition of the helium-air mixture, (ii) the mutual influence of the flow on the discharges and discharges on the flow and (iii) the dynamics of the ionization waves which requires steps of evolution time of the order of the picosecond and a spatial mesh of a few micrometres. On the basis of a 0D model of chemical kinetics in helium-air mixtures including more than 1000 reactions and a little less than 100 species, a chemical analysis and reduction work was done to extract an optimum game representative of the chemical kinetics. This model takes into account both the initial concentration variations of the species in the mixtures and the modifications of the energy distribution functions of the electrons. In a second step, a 2D model was developed to simulate the formation and propagation of ionization waves in helium-air jets using COMSOL. The ionization waves being very dynamic and lasting only a few hundred nanoseconds, we considered that the flow remained static on this time scale. The evolution of the charged species is followed using the fluid model order 1 and the necessary basic data are calculated as a function of the reduced electric field E/N and the helium-air concentration by solving the Boltzmann equation. The simulations followed the formation and the propagation of a discharge in plasma jet devices consisting of a dielectric tube and two annular electrodes. The results clearly show the formation of an initial ionization wave concentrated around the axis of the tube, which then splits to form an annular discharge that propagates along the dielectric tube to its exit. A parametric study was carried out on the wave propagation at the outlet of the tube as a function of the flow velocity of the gas in the tube.
Les jets de plasma froid peuvent être générés dans des mélanges hélium-air en faisant circuler de l'hélium dans un tube qui s'ouvre à l'air ambiant et en alimentant sous haute tension pulsée des électrodes annulaires collées autour du tube. Les études expérimentales ont montré que ces jets de plasma sont en fait composés d'une succession d'ondes d'ionisation guidées par le canal d'hélium. Ces ondes d'ionisation génèrent des espèces actives chargées ou non qui peuvent être appliquées sur des cellules animales ou végétales ou servir à activer un milieu liquide. Les applications sont multiples et concernent par exemple la cicatrisation, le traitement du cancer, la décontamination, l'activation cellulaire ou l'aide à la germination et à la croissance des plantes. L'objectif de cette thèse est de construire, à l'aide du logiciel commercial COMSOL, un modèle 2D de l'écoulement du mélange gazeux couplé à la dynamique des ondes d'ionisation pour mieux comprendre la formation de la décharge et les caractéristiques physico-chimiques du jet qui en découle. La simulation de ces dispositifs est cependant très complexe à cause (i) de la dépendance de la cinétique chimique et des phénomènes de transport des espèces chargées en fonction de la composition du mélange hélium-air, (ii) de l'influence mutuelle de l'écoulement sur les décharges et des décharges sur l'écoulement et (iii) de la dynamique des ondes d'ionisation qui nécessite des pas de temps d'évolution de l'ordre de la picoseconde et un maillage spatial de quelques micromètres. Sur la base d'un modèle 0D de cinétique chimique dans les mélanges hélium-air incluant plus de 1000 réactions et un peu moins de 100 espèces, un travail d'analyse et de réduction chimique a été réalisé pour extraire un jeu optimum représentatif de la cinétique chimique. Ce modèle prend en compte à la fois les variations de concentration initiale des espèces dans les mélanges et les modifications des fonctions de distribution en énergie des électrons qui en découle. Dans un second temps, un modèle 2D a été élaboré pour simuler sous COMSOL la formation et la propagation des ondes d'ionisation dans les jets hélium-air. Les ondes d'ionisation étant très dynamiques et ne durant que quelques centaines de nanosecondes, nous avons considéré que l'écoulement resté statique sur cette échelle de temps. L'évolution des espèces chargées est suivie à l'aide du modèle fluide d'ordre 1 et les données de base nécessaires sont calculées en fonction du champ électrique réduit E/N et de la concentration hélium-air en résolvant l'équation de Boltzmann. Les simulations ont permis de suivre la formation et la propagation d'une décharge dans des dispositifs à jet de plasma composé d'un tube diélectrique et de deux électrodes annulaires. Les résultats montrent clairement la formation d'une onde d'ionisation initiale concentrée autour de l'axe du tube, qui se scinde ensuite pour former une décharge annulaire qui se propage le long du tube diélectrique jusqu'à sa sortie. Une étude paramétrique a été réalisée sur la propagation des ondes en sortie du tube en fonction de la vitesse d'écoulement du gaz dans le tube.
Origine : Version validée par le jury (STAR)
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