Modélisation et simulation numérique de l'écoulement d'un plasma atmosphérique pour l'étude de l'activité électrique des plasmas sur avion
Institution:
Châtenay-Malabry, Ecole centrale de ParisDisciplines:
Directors:
Abstract EN:
A ionized gas (or plasma) has the ability of absorbing or reflecting electromagnetic (radar) waves if its ionization rate is high enough. This is particularly interesting for aeronautics. This study aims at predicting the electric and energetic characteristics of a weakly ionized air plasma in an atmospheric pressure flow. The plasma is described by a two-temperature model, coming from the non-equilibrium description of plasmas. Plasma flow is then described by a two-temperature hydrodynamic system coupled with a collisional model (energy exchanges rates) and a kinetic model (chemical reactions). An algorithm was built to simulate plasma flow in axisymetric geometry. The algorithm is a 2D Lagrange + Projection scheme. The projection step was adapted to multi-components advection, using a second order, non oscillating, and bidimensionnal scheme. This algorithm allows the simulation of experiments concerning atmospheric pressure plasma and then the validation of the model parameters. In a second part, we study the Perfectly Matched Layer (PML) which is a boundary condition to simulate wave propagation in open domains. This method is particularly efficient for electromagnetic problems, and we want to enlarge this approach to aeroacoutics problems (linearized Euler equations). We propose two solutions: a practical approach to avoid numerical oscillations of the solution and a more general approach which consists in a new absorbing layer formulation which leads to well-posed problems.
Abstract FR:
Un gaz ionisé (ou plasma) présente la propriété d'absorber ou de réfléchir les ondes électromagnétiques radar, si son taux d'ionisation est suffisant. Cette propriété suscite un intérêt particulier pour des applications dans le domaine de l'aéronautique. L'objectif de cette thèse est de pouvoir prédire les caractéristiques (électriques et énergétique) d'un plasma d'air faiblement ionisé dans un écoulement à pression atmosphérique. La description du plasma repose sur un modèle à deux températures, inspiré des modèles hors- équilibre thermique. L'écoulement du plasma est alors décrit par un système d'équations de l'hydrodynamique à deux températures couplé à un modèle collisionnel (description des échanges énergétiques) et à la cinétique chimique (réactions chimiques). Nous avons mis en œuvre un algorithme pour simuler le plasma en écoulement axisymétrique. Il s'agit d'un schéma numérique bidimensionnel de type Lagrange + Projection dont la phase de projection est un schéma d'ordre 2, adapté au transport multi- espèces. Cet algorithme nous permet de simuler des expérimentations sur l'écoulement d'un plasma atmosphérique pour valider les paramètres du modèle. Dans une deuxième partie, nous étudions la méthode des couches absorbantes parfaitement adaptées (PML) qui constitue une condition de bord pour la simulation en milieu ouvert. Son efficacité étant reconnue pour les problèmes de propagation d'onde électromagnétique, nous nous penchons sur un moyen d'adapter cette méthode de l'aéroacoustique (équations d'Euler linéarisées). Pour cela nous présentons deux approches : une méthode simple visant à éviter les oscillations numériques, et une approche plus générale où nous définissons une nouvelle formulation de couches absorbantes qui mène à des problèmes bien posés.