CARACTÉRISATION DES FLUX ÉCHANGÉS ENTRE UN ÉCOULEMENT DE PLASMA D'ARGON DANS L'AIR ET UNE CIBLE PLANE FROIDE

HAL Id: jpa-00230840

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Submitted on 1 Jan 1990

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CARACTÉRISATION DES FLUX ÉCHANGÉS ENTRE UN ÉCOULEMENT DE PLASMA D’ARGON

DANS L’AIR ET UNE CIBLE PLANE FROIDE

J. Badie, Bruno Granier, B. Bonduelle

To cite this version:

J. Badie, Bruno Granier, B. Bonduelle. CARACTÉRISATION DES FLUX ÉCHANGÉS ENTRE UN

ÉCOULEMENT DE PLASMA D’ARGON DANS L’AIR ET UNE CIBLE PLANE FROIDE. Journal

de Physique Colloques, 1990, 51 (C5), pp.C5-273-C5-279. �10.1051/jphyscol:1990533�. �jpa-00230840�

COLLOQUE DE PHYSIQUE

Colloque C5, supplement au n018, Tome 51, 15 septembre 1990

CARACT~RISATION DES FLUX

ECHANG~S

ECOULEMENT

J.M. BADIE, B. GRANIER et B. BONDUELLE

Institut de Science et de Génie des Matériaux et Procédés, B.F. n05, Odeillo, 66120 Font-Romeu, France

Resumé :

L'énergie échangée entre un jet libre de plasma d'argon dans l'air et une cible plane perpendiculaire à l'écoulement est déterminée par une méthode calorimétrique; la cible est maintenue à température ambiante par circulation d'eau. On examine l'influence des paramètres de fonctionnement de la torche (courant, débit d'argon) et de la distance torche-cible sur le niveau et la répartition radiale des flux échangés.

Abstract :

By calorimetry, we determined the energy exchanges between an argon plasma jet blown in the atmospheric air and a flat target normal to plasma flow. A controled water cooling maintains the target at room temperature. The operating conditions of the plasma torch (intensity, argon flow) and the distance between the target and the nozzle torch are varied to determine their influence on the flux densities levels and their radial evolution.

1/ INTRODUCTION

Les transferts entre une cible plane et un écoulement en impact sur cette dernière ont donné lieu à un très grand nombre d'études dans les écoulements de gaz non plasma, voir par exemple 111. Les travaux réalisés avec des flammes 124 ou des plasmas /3,4,5/ sont relativement peu nombreux; la cible est malntenue dans la plupart de cas à basse température.

La connaissance de l'énergie échangée entre un écoulement plasma et une paroi est de première importance, aussi bien pour les applications relatives à la protection de cette dernière (barrières thermiques, ablation) qu'à son attaque (bain liquide en métallurgie).

Notre objectif, à long terme, est l'étude des transferts de chaleur et surtout de matière, dans le cas de surfaces solides ou liquides à très hautes

Article published online by EDP Sciences and available at http://dx.doi.org/10.1051/jphyscol:1990533

C5-274 COLLOQUE DE PHYSIQUE

températures. Dans ce travail, nous avons recherché les conditions opératoires propices pour une étude de la vaporisation des cibles métalliques (Fer) ou céramiques (Al2 Os

,

,

! .

2/ DISPOSITIF EXPERIMENTAL

.

Le dispositif expérimental schématisé sur la figure 1 comprend:

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Fig. 1

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2 & 3 : cibles calorimétriques.

Fig. 1

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2 & 3 : calorimetric targets.

-

, ,

.

éléments, isolés et indépendants, constituent deux cellules calorimétriques qui permettent, par un bilan sur l'eau de refroidissement, de déterminer les flux thermiques échangés avec lfécoulement plasma. Un mouvement de translation de la cible permet de mesurer lfévolution radiale de ces flux.

L'ensemble des mesures, courant, tension, pertes aux électrodes, puissance cédée h la cible, est enregistré sur une centrale dl acquisition ORION. A partir des bilans calorimétriques sur la torche, on définit une puissance thermique utile, qui est la différence entre la puissance électrique fournie et la puissance dissipée aux électrodes: c'est la puissance thermique effectivement disponible dans lf&coulement h la sortie de la buse. Cette grandeur est utilisée pour comparer entre elles les puissances ou les densités de flux échangés pour différentes conditions opératoires.

3 1 RESULTATS

.

a) Influence du débit de saz.

Sur la figure 2, on a porté, pour une distance Z=lOcm, la puissance totale recueillie sur lfensemble des deux calorimètres en fonction de la puissance utile cedée au gaz plasmagène.

Fig. 2

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Fig. 2

-

C5-276 COLLOQUE DE PHYSIQUE

On constate que, pour une même puissance utile, la puissance échangée augmente quand le débit de gaz diminue. L'accélération de ce phénomène, au plus faible debit, est due à llévolution du régime de llécoulement du jet de plasma qui, lorsque le courant d'arc augmente, s'allonge jusqulà venir lécher la cible.

Dans les mêmes conditions opératoires, nous avons porté, sur la figure 3, la densité de flux reçue au centre de la cible (S=0,24cm2) en fonction de la puissance utile. Pour les débits d'argon de 14 et 28 l/mn(correspondant à un même régime), le coefficient de proportionnalité est indépendant du débit. L'effet mis en évidence pour le debit de 7 l/mn, sur la figure précédente, apparait ici encore plus clairement.

Fig. 3

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Fig. 3

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at diffrent argon loow rates versus the plasma thermal power.

b) Evolution radiale.

Nous avons travaillé à puissance utile constante en jouant sur la combinaison des paramètres de fonctionnement de la torche (courant d'arc et débit de gaz). Dans ces conditions, les flux mesurés en fonction de la distance par rapport à llaxe de la torche et pour une distance Z=lOcm, sont représentés sur la figure 4. Pour une puissance utile de 1500 W (200 A) et un débit de 14 l/mn, le profil mesuré est relativement plat, avec un maximum, sur l'axe, de l'ordre de 20 W/cm2. Par contre, pour cette même puissance obtenue

avec un courant d'arc de 340 A et un débit de 7 l/mn, le profil est tr&s pointu, avec un maximum, sur l'axe, de 200 W/cm2.

Fig. 4

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au centre de la cible (@=5,5mm) à puissance utile constante (1500 W) et pour deux débits de gaz.

Fig. 4

-

for the central target (@=5,5mm) at constant plasma thermal power (1500 W) for two gas flow rates.

c) Influence de la distance.

Pour étudier cette influence, nous avons retenu le débit de 7 l/mn pour deux intensités de courant d'arc. La densité de flux mesurée sur l'axe est portée sur la figure 5 en fonction de la c6te 2 . Dans tous les cas, il existe une côte, fonction de la puissancce utile, à partir de laquelle la densité de flux croit très rapidement. Nous avons été limités, pour les faibles distances cible-torche, par l'apparition du phénomène de caléfaction dans la sonde centrale pour des densités de flux de l'ordre de 400 W/cmZ.

Cette difficulté pourrait être levée en utilisant un refroidissement sous haute pression [6].

COLLOQUE DE PHYSIQUE

Fig. 5

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de la puissance utile et un débit de 7 l/mn d'argon.

Fig. 5

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powers (1500-1900 W), argon flow 7 l/mn.

4 / CONCLUSION

.

Ces premiers résultats montrent que les flux échangés, dans les conditions oit nous avons opéré, sont très dépendants du régime de lrécoulement plasma. Il apparait, ainsi, que pour les buts que nous nous sommes fixés, les conditions optimales seraient réalisées pour un régime oh le jet de plasma est très allongé jusqufà lécher la cible (écoulements wlaminairesl~). Nous avons obtenu ce régime pour un débit d'argon voisin de 7 l/mn, des courants supérieurs à 250 A, et pour une distance Z=lOcm.

De telles mesures présentent toutefois un interêt relativement limité puisque le flux échangé qui est la grandeur importante pour les applications envisagées dépend des caractéristiques du plasma, mais aussi de la température de la cible. Elles ne permettent pas de prévoir notamment lfévolution

thermique dans le temps d'un matériau, exposé dans les mêmes conditions F e notre cible, et dont la température évoluerait. Un effort très important doit donc être fait pour étudier comment évoluent, au cours du temps, les flux échangés lorsque la cible sréchauffe et être en mesure de maîtriser cette évolution.

Références

/1/ Martin H. : Advances in Heat Transfer, 1977,

u,

/2/ Popiel C z . O., Van Der Meer Th. H., Hoogendoorn H.: Int. J. of Heat and Mass Transfer, 1980, 23, 1055-1068.

/3/ Fay J.A., Ride11 F.R.,: J. Aeronaut. Sci., 1985,

z,

/4/ Comfort E.H., OIConnor T.J., Cass L.A.: Proc. Heat Transf. Fluid. Mech.

Inst., 1966, 4, 44-62.

/5/ Mariage E., Grimaud A., Fauchais P.: Rev. Int. Hautes Temp. Réfract., 1989,

z,

/6/ Leger J.M., Grimaud A., Roumilhac P., Fauchais P. : Rev. Int. Htes Temp. et Réfract., 1989,

a,