Jet plasma

La majorité des modèles bidimensionnels est turbulente avec un cœur de jet laminaire

et prend en compte l’interaction du jet plasma avec le gaz ambiant.

Modèle stationnaire

Chang et Pfender [93, 94] simulent, en régime laminaire, un jet de plasma d’argon qui

s’écoule dans l’air à basse pression (de 10 à 20 kPa). Le modèle suppose le non-équilibre

chimique et prend en compte deux températures, celle des électrons et celle des particules

lourdes avec une vitesse de réaction chimique finie. Les résultats obtenus en température,

vitesse et degré d’ionisation sont comparés à ceux d’un modèle supposant l’équilibre

thermodynamique et à des résultats expérimentaux. La comparaison montre que l’hypothèse

d’équilibre thermodynamique n’est pas validée dans les conditions de l’étude.

Donaldson et al. [95] développent un modèle semi-analytique bidimensionnel pour un

mélange de gaz de masses molaires et chaleurs spécifique différentes. Ils donnent une relation

générale entre le facteur de mélange et le nombre de Mach local. Ce modèle est repris par

Granier et Badie [96] en supposant que la vitesse sur l’axe est inversement proportionnelle à

la distance pour rendre le facteur de mélange constant. Ils comparent les résultats obtenus aux

données expérimentales et numériques de la littérature et ils trouvent un accord acceptable en

dehors du cœur du jet. Ce modèle fournit de façon simple et rapide des indications sur les

profils de vitesse et de température dans un jet plasma.

Proulx et al. [97] étudient le traitement de particules de cuivre dans un jet plasma

d’argon s’écoulant dans l’air ambiant. Un modèle de longueur de mélange de Prandt est

utilisé pour simuler la turbulence tandis que l’effet de charge de l’écoulement des particules

est pris en compte à l’aide du modèle PSI-Cell de Crowe et al. [98]. L’étude montre que

l’effet de charge réduit l’entraînement de l’air ambiant et refroidit le jet par la vaporisation des

particules et induit un rayonnement important du gaz plasma.

Dilwari et al. [99, 100] développent un modèle stationnaire du jet plasma d’arc soufflé

et comparent les résultats numériques des champs de vitesse et de température du gaz

plasmagène à des résultats expérimentaux. Le jet utilisé est un jet d’azote s’écoulant dans

l’azote ou dans l’air ambiant. Le modèle ne tient pas compte de l’effet de l’injection du gaz

Rodi [101] et les propriétés de mélanges sont évaluées selon les lois de mélanges car les

propriétés turbulentes sont très supérieures à celles laminaires loin de la sortie de la tuyère.

Les résultats des simulations sont en bon accord avec les expériences lorsqu’une attention

particulière est donnée aux profils de vitesse et température du gaz à l’entrée du domaine de

calcul et à la conservation de l’enthalpie et de la masse en sortie de la tuyère.

Jiao et Themelis [102] présentent un modèle d’un jet stationnaire argon-hydrogène

dans l’air, dans lequel sont injectées des particules d’alumine dont la conduction interne est

prise en compte. La distribution des vitesses et des températures est déduite de la modification

de la théorie des jets libres turbulents en supposant une similitude entre les profils normalisés

de vitesse et de température. La comparaison des profils de vitesse de l’écoulement et des

particules calculés avec les résultats expérimentaux de Vardelle et al. [46] montre un bon

accord.

Chyou et Pfender [103] utilisent un modèle de différences finies pour simuler les

champs de vitesse et de température dans un jet argon-hydrogène s’écoulant dans l’air ou

confiné. Le modèle traite la turbulence par un modèle k-ε standard et prend en compte

l’entrainement de l’air ambiant dans le jet ce qui se traduit par une chute rapide de la

température et la vitesse le long de l’axe de la torche. Les résultats numériques sont comparés

aux résultats expérimentaux obtenus par spectroscopie et sonde enthalpique, les valeurs

moyennes pondérées par la masse volumique sont plus proches des mesures que celles non

pondérés.

Modèle transitoire

Les modèles bidimensionnels transitoires sont souvent consacrés aux effets des

fluctuations du jet plasma et étudient les phénomènes de turbulence et d’entraînement de

l’atmosphère ambiante dans le jet.

Georges et al. [104, 105] utilisent un code bidimensionnel en volumes finis pour

étudier une tuyère convergente divergente placée en aval d’un réacteur de CVD assisté par

plasma thermique. Les auteurs jouent sur la géométrie de la tuyère, le débit de gaz et la

pression pour obtenir les conditions optimales (dissociation des espèces et pertes minimales

sur les parois de la tuyère). Le modèle tient compte des espèces H2, H et Ar et d’un possible

non-équilibre chimique. L’étude juge les effets de la puissance électrique et du débit de gaz,

de l’angle du divergent et du non-équilibre chimique. Le calcul des propriétés du gaz avec

l’approximation de Wilke donne de bons résultats en dehors des phénomènes d’ionisation et

de dissociation. Quand ces phénomènes entrent en jeu, un calcul plus rigoureux est

indispensable.

Park et al. [106] étudient les effets des fluctuations de l’arc dans un jet plasma d’azote

ou d’azote-hydrogène. Ils dressent les profils de température et de vitesse du gaz en sortie de

la tuyère dont la comparaison avec les résultats d’un modèle stationnaire montre des

différences importantes.

En régime turbulent, Lee et al. [39, 46] présentent un modèle instationnaire d’un

plasma d’argon s’écoulant dans l’air ou dans l’argon et qui intègre un module de traitement de

particules. La turbulence est traitée par un modèle k-ε modifié par Launder [107]. Le calcul se

fait avec deux échelles de temps différentes, une pour les instabilités de vitesse et l’autre pour

celles des températures. L’effet de charge en particules sur le jet est pris en compte sous

forme de termes sources de masse, de quantité de mouvement et d’énergie. L’écoulement des

particules est traité par un modèle stochastique qui prend en compte les effets du

rayonnement, les charges électriques des particules et la conduction interne de chaleur dans

celle-ci. Les auteurs notent le rôle fondamental de la variation de la masse volumique et

l’importance du phénomène d’entraînement du gaz environnant dans le jet plasma, les champs

de vitesse et de température variant considérablement selon l’environnement.

Huang et al. [108, 109, 110] présentent un modèle de jet plasma d’argon biphasique

qui considère le gaz ambiant (argon sous pression atmosphérique) engouffré dans le jet

plasma sous forme de bulles constituant ainsi une seconde phase dispersée dans le gaz

plasmagène. Les équations d’écoulement introduisent des termes d’échange de masse et de

quantité de mouvement entre les deux phases. Ces équations sont résolues en volumes finis à

l’aide du code commercial Phoenics avec un traitement de la turbulence avec une longueur de

mélange de Prandtl. Le modèle développé permet de montrer à quelle distance de la sortie de

tuyère le mélange avec le gaz ambiant est complet, ce qui est difficile à prévoir avec un

modèle de turbulence classique. L’approche stochastique du traitement des particules montre

que leur chauffage est fortement influencé par les variations locales des propriétés du gaz et

l’effet Knudsen.