L'hypothèse de l'équilibre thermodynamique local (ETL) est souvent considérée dans l'étude des plasmas thermiques, bien qu'elle ne soit légitime que pour la description de la colonne du plasma. En effet l'équipartition de l'énergie peut être mise à défaut dans certaines zones du plasma telles que les zones périphériques ou le proche voisinage des électrodes. En vue de mettre en place une modélisation auto cohérente, une représentation globale du cœur du plasma et des zones en déséquilibre est nécessaire.
Dans cette optique, ce travail décrit la mise en place d'un modèle hors ETL à deux températures (2T) sur une configuration « d'arc libre » où le milieu est décrit par deux équation de l'énergie : l'une pour les électrons Te, et l'autre pour les particules lourdes Th. Ces deux équations sont couplées par un terme d'échange d'énergie Eeh.
Dans un premier temps la mise en place des données de base du plasma est réalisée. Cette partie englobe le calcul de la composition hors équilibre thermique d'un plasma d'argon. A partir des compositions hors ETL, les coefficients de transport, les propriétés thermodynamiques, et le terme d'échange d'énergie peuvent être déterminés. L'évolution de ces propriétés est présentée en fonction de Te et du rapport Te/Th.
Un modèle unidimensionnel d'arc stabilisé par paroi est ensuite mis en place. La configuration simplifiée du modèle permet d'étudier le déséquilibre thermique entre la température électronique et la température des particules lourde. Une étude paramétrique est réalisée et lest résultats commentés.
Dans une dernière partie l'étude est étendue à un cas bidimensionnel sur une configuration d'Arc libre dans l'Argon. La mise en place des équations de l'énergie pour la description à deux températures est détaillée. Une attention particulière est portée sur la programmation en vue d'une résolution via le logiciel @Fluent. Les résultats des modèles ETL et hors ETL sont confrontés à des résultats expérimentaux issus de la littérature. Une étude est alors réalisée au travers des paramètres : intensité du courant, géométrie de la cathode.
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The assumption of local thermodynamic equilibrium (LTE) is often considered in the study of thermal plasmas, although it is legitimate only to describe the column of plasma. Indeed, the equipartition of energy may fail in some areas of the plasma such as peripheral zones or areas in the vicinity of the electrodes. In order to develop a self consistent model, a global representation of the plasma heart and areas in thermal imbalance is required.
From this perspective, this work describes the development of a non-LTE two-temperature model on a “free arc” configuration where the gas is described by two energy equations: that of electrons Te and that of heavy particles Th. Those two equations are coupled by an energy exchange term Eeh.
At first, the establishment of the plasma baseline data is performed. This section includes the calculation of non-equilibrium argon plasma composition. From the NETL compositions, the transport coefficients, the thermodynamic properties and the energy exchange term can be determined. The evolution of those properties according to Te and the ratio Te/Th, is presented.
A one-dimensional model of wall-stabilized arc is carried out. The simplified configuration of the model allows studying the thermal imbalance between the electrons temperature and the temperature of heavy particles. A parametric study is performed and the results are discussed.
In a last section, the study is extended to a two-dimensional cas on a free argon arc configuration. The setting up of energy equations for the two-temperature description is detailed. Particular attention is paid to programming for resolution through the software @Fluent. Results of the LTE and NLTE models are confronted to experiment results from literature. A study is then conducted through the parameters: current intensity, geometry of the cathode.
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