EFFETS DU PLASMA SUR LE GAZ PLASMAGÈNE

— le fil chaud ;

— la sonde de Pitot.

La LDA et la PIV sont des techniques de mesure qui consistent en l’introduction d’un traceur au sein du fluide. Par un dispositif optique éclairant une zone dans l’écoulement, les particules qui y passent s’illuminent (diffusion de Mie), et il est alors possible de déterminer leur vitesse, qui correspond à la vitesse du fluide (si les particules sont suffisamment petites pour ne pas perturber l’écoulement tout en diffusant suffisamment de lumière). Dans le cas de la LDA, la vitesse est mesurée en un point de l’écoulement (en toute rigueur, un petit volume) où est créé un réseau de franges d’interférences. Connaissant l’interfrange, la vitesse est déterminée en mesurant le temps de passage entre deux franges consécutives. Dans le cas de la PIV, cette technique consiste à prendre deux « photos » de l’écoulement, séparées d’un temps fixé par l’utilisateur. En mesurant la distance parcourue par les particules, on détermine alors leur vitesse. Puisque ces deux techniques nécessitent l’ajout d’un traceur au sein du fluide, leur utilisation dans nos conditions peut poser problème. Par exemple, quelle est l’interaction entre plasma et particules du traceur ?

La mesure de vitesse par fil chaud est une méthode intrusive puisqu’une sonde doit être posi-tionnée dans l’écoulement, là où l’on souhaite mesurer la vitesse. Cette sonde est munie d’un fil de

≈1 mmde longueur (≈5µmde diamètre) que l’on maintient chauffé à une température donnée par le passage d’un courant électrique. La mesure de la vitesse dépend de l’équilibre thermique entre le fil et le refroidissement dû à l’écoulement du fluide. Lorsque la vitesse de l’écoulement change, la température du fil est compensée pour retrouver la température de consigne. Un éta-lonnage permet alors d’associer cette compensation à une vitesse d’écoulement. Cependant, le fil chaud est un dispositif électrique et son utilisation dans nos conditions de mesure (présence du plasma) est à proscrire.

La mesure par sonde de Pitot permet de connaître la vitesse à partir d’une mesure de différence de pression. D’un point de vue classique, un tube de quelques mm de diamètre et muni de différents orifices est placé dans l’écoulement à sonder. Ce tube est relié à un capteur de pression, positionné généralement hors de l’écoulement. À partir de la relation de Bernoulli, il est possible de remonter à la vitesse d’écoulement du fluide en mesurant la différence de pression ∆P.

v = s

2∆P

ρ (VI.10)

Dans cette étude, les dimensions du capillaire proscrivent toute utilisation d’une sonde de Pitot « classique ». De surcroît, ces sondes sont généralement en métal. Un équivalent aux tubes de Pitot généralement utilisés par les mécaniciens des fluides a donc été réalisé au laboratoire.

Il est constitué d’une pipette Pasteur en verre, coudée et effilée. Le diamètre externe d’une des extrémités du tube est ainsi inférieur à0,5 mm. En connectant ce tube à un capteur de pression, la pression d’arrêt peut être mesurée. En mesurant la pression statique, la différence de pression

∆P peut ainsi être déterminée. La gamme de mesure du capteur utilisé est de 0–20 Pa. Pour de l’air, cela correspond environ à une gamme de vitesse de0–6 m·s⁻¹. Bien qu’original, ce dispositif de mesure donne des résultats valides. En effet, il est notamment souvent utilisé pour l’étude des actionneurs plasmas dans le cadre du contrôle d’écoulement ; dont le GREMI, en collaboration avec l’équipe ESA du laboratoire PRISME d’Orléans, est un des acteurs.

Dans cette étude, la sonde est placée en sortie d’un capillaire long de20 cmet est montée sur un pied permettant de se déplacer dans les trois directions, définies dans la figure VI.13. L’origine de notre repère est définie comme étant le centre de la section du capillaire, en sortie de celui-ci.

L’axezcorrespond à l’axe suivant lequel se propage les PAPS, comme indiqué en figure VI.13(b).

Sonde de pression d’arrêt

y

x z

(a) Principe de mesure

plan YZ x = 0 mm plan XY

z = 0 mm

plan XZ y = 0 mm y

x z

(b) Plans de mesure (c) Photographie du dispositif

Figure VI.13 – Dispositif expérimental pour la mesure de la vitesse du gaz en sortie de Plasma Gun, à l’aide d’une sonde de pression d’arrêt.

La mesure de vitesse par sonde de pression d’arrêt reste, certes, une méthode de mesure intrusive, mais les mesures de pression obtenues en proche sortie de jet nous permettent d’observer les différents comportements du gaz. Les mesures effectuées à l’aide de cette sonde sont considérées d’une manière qualitative.

3.2 Résultats expérimentaux

Les résultats obtenus dans la section précédente étaient basés sur l’étude de la forme du plasma et non sur les propriétés liés à l’écoulement du gaz porteur. L’emploi des termes laminaire et turbulent était donc sorti de leur contexte usuel. À l’aide d’une sonde de pression d’arrêt, il est possible de mesurer la vitesse du gaz en sortie de capillaire et ainsi déterminer le type de régime d’écoulement.

3.2.1 Profil de vitesse

Dans un premier temps, il est nécessaire de vérifier l’applicabilité du système de mesure par sonde de pression d’arrêt. Une étude des profils de vitesse à différentes positions za été réalisée.

Cette étude est présentée en figure VI.14. Les profils obtenus sont paraboliques, et leur maximum décroît avec l’augmentation dez. La conservation des profils ainsi que la diminution des maxima tend à valider la mesure par sonde de pression d’arrêt.

3. EFFETS DU PLASMA SUR LE GAZ PLASMAGÈNE

z = 2 mm z = 4 mm z = 8 mm

-0.2 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2

-6 -4 -2 0 2 4 6

Vitesse normalisée

Position depuis l’axe du capillaire (mm)

Figure VI.14 – Profils de vitesse du jet de néon en aval de la sortie de capillaire (àz= 0 mm), pour différentes positionsz. Les profils sont normalisés par rapport à la valeur maximale obtenue en z =0 mm. Débit néon : 1 000 sccm, Ltube =20 cm.

3.2.2 Influence du plasma sur la vitesse du gaz

La figure VI.15 présente les profils de vitesse obtenus à différentes positions, à l’aide de la sonde de pression d’arrêt. Les vitesses sont normalisées par rapport à celle mesurée à l’origine de notre repère, soit au centre de l’extrémité du capillaire (0; 0; 0). Afin de déterminer si le plasma a un effet sur l’écoulement du jet de gaz, les mesures ont été effectuées avec et sans plasma (soit pour U =0 kV). Les mesures ont été réalisées dans un plasma d’hélium.

Les profils de vitesse obtenus en proche sortie de capillaire, avec Plasma ON (z = 0 mm) sont paraboliques, et normalisés par rapport à la vitesse au centre du capillaire sans plasma (Plasma OFF). Les profils sont effectués selon deux plans de mesures (plan XZ et plan YZ de la figure VI.13) afin de vérifier la symétrie de l’écoulement. En effet, le jet de gaz doit avoir une symétrie de révolution selon l’axe du capillaire.

Lorsque le plasma est allumé, les profils de vitesse du gaz sont équivalents à celui obtenu pour la condition sans plasma et ce dans les deux plans d’étude. La conservation de la vitesse étant probablement due au fait qu’on est trop proche de la sortie du capillaire. De ce fait, la sonde se situe en plein dans le cône potentiel, les réactions engendrées par le plasma avec l’air ambiant ne sont pas encore prépondérantes. Cependant, les profils obtenus à 4 mm de la sortie de capillaire, soit un diamètre de capillaire, montrent un effet du plasma sur la vitesse du gaz. Le plasma va induire une diminution de l’ordre de ≈30 %du maximum de vitesse. Cette diminu-tion de la vitesse étant caractéristique d’une modificadiminu-tion de la transidiminu-tion laminaire–turbulent.

L’observation d’une modification de la longueur de la plume plasma par l’augmentation de la fréquence laissait penser à une action du plasma sur l’écoulement du gaz. Les mesures effectuées par Pitot viennent confirmer notre hypothèse, l’action du plasma consisterait donc à avancer la transition laminaire–turbulent du gaz porteur.

Cette première approche de mesures par sonde de pression d’arrêt nous permet de dire qu’il y a un effet du plasma sur le gaz. Cependant, si la sonde est placée plus loin dans le jet, cela

Plasma OFF

Figure VI.15 – Profils de vitesse normalisés à une position z donnée. Gaz = He, débit : 1 000 sccm, Ltube = 20 cm. Les figures du haut et du bas correspondent à des plans de mesure différents.

nous permettra d’observer des transitions se situant à plus de 4 mm de la sortie de capillaire, mais également d’avoir une mesure moins intrusive. Les mesures obtenues pour un capillaire de 5 cmsont illustrées en figure VI.16. Dans ces conditions, l’extrémité de la sonde Pitot est placée à 2 cmde la sortie du capillaire.

Lorsque le débit est de1 000 sccm, le régime d’écoulement est laminaire. L’allumage du plasma induit des fluctuations temporelles de pression que l’on peut associer au régime turbulent. Ceci est confirmé expérimentalement puisque la longueur du cône potentiel est diminuée et que des fluctuations de la plume plasma sont visibles. Pour un débit de3 500 sccm, le régime d’écoulement sans plasma est transitoire. Des fluctuations importantes de pression sont en effet mesurées. Dès l’allumage du plasma, une diminution rapide de la pression est observée ainsi qu’une réduction des fluctuations de pression. Dans ces conditions, le plasma semble repousser l’établissement du régime turbulent. Pour des débits supérieurs (4 500 sccm), l’effet du plasma va se traduire par une augmentation de la pression accompagnée de fluctuations qui restent relativement faibles. Dans ce cas, le plasma ne déclenche pas l’apparition du régime turbulent. D’un point de vue général, quel que soit le régime d’écoulement sans plasma, l’allumage de ce dernier induit à chaque fois des modifications mesurables. Ainsi, même à des débits de gaz importants, le plasma réussit à perturber l’écoulement de gaz.

3. EFFETS DU PLASMA SUR LE GAZ PLASMAGÈNE

Plasma ON

Figure VI.16 – Variations temporelles de pression mesurées par la sonde de pression d’arrêt, placée à z= 2 cm, dans un jet d’hélium. Ltube =5 cm.

Afin de vérifier l’effet du plasma sur le jet de gaz, il conviendrait d’effectuer des mesures com-plémentaires par LDA, PIV ou strioscopie. La strioscopie permet la visualisation du mouvement gazeux, et est basée sur la modification d’un gradient d’indice. Dans le cadre de l’ANR blanc PAMPA, une série de mesures par strioscopie a été réalisée (dans l’équipe de Laurent Joly et Jérôme Fontane, Université de Toulouse, ISAE, Département d’Aérodynamique, Énergétique et Propulsion (DAEP)). La figure VI.17 présente une série d’images obtenues par strioscopie d’un jet d’hélium, pour un capillaire de diamètre interne 4 mm et5 cmde long.

En l’absence de plasma, la zone laminaire s’étend sur plus de50 mm, suivie de la zone tran-sitoire. Une fois le plasma activé, la zone laminaire est réduite, avec une diminution causée par le plasma de ≈60 %. Par conséquent, l’écoulement du jet est modifié par le plasma, plus parti-culièrement la transition laminaire–turbulent, comme déjà observé dans la littérature [171]. De plus, la longueur de plume plasma observée est équivalente à la zone laminaire du jet de gaz.

Cependant, en bout de plume sont observables des ramifications du plasma. Ces ramifications coïncident avec des zones d’hélium « pur » (c’est-à-dire, pas un mélange gaz-air) présentes dans la région turbulente. La propagation d’un plasma dans une région laminaire ou turbulente n’induira pas la même production en espèces réactives, des mesures sur la production de telles espèces dans les deux régions du jet de gaz sont en cours.