Modélisation Multi-physique Multi-échelle d’un Moyen d’Essais sous Flux Plasma par Méthode DSMC : Stratégie de Résolution en Régimes Continu à Transitionnel et Premiers Résultats d’Evaluation

Lionel JAOUEN, Vincent GENISSEL, Aurélie QUET, Benjamin BERNARD

CEA, Le Ripault

 

Résumé

Le moyen d’essai sous flux plasma du CEA Le Ripault, appelé Vulcain, permet l’analyse comportementale de matériaux soumis à des flux thermiques élevés pour des applications de rentrée atmosphérique. Une torche à plasma d’arc à courant continu, montée sur un robot 6 axes et fonctionnant à des pressions de quelques millibars jusqu’à pression atmosphérique, permet de solliciter les matériaux avec des flux thermiques pouvant atteindre 30 MW/m² et des vitesses de gaz supersoniques (Mach 3 à 4).

Ces travaux sont relatifs à la modélisation de ce moyen d’essai.

Dans l’enceinte de test, depuis la sortie de la torche, à pression proche de l’ambiante, sous l’effet de la combinaison de hautes températures et de basses pressions avec des ondes de chocs initiées par détente supersonique du gaz chaud dans le milieu basse pression, se propagent de fortes perturbations, induisant des effets cinétiques importants jusqu’à la surface de l’échantillon sous test. Ces effets cinétiques donnent lieu, à la surface de l’échantillon, à des variations significatives des quantités physico-chimiques d’intérêt qu’il s’agit de déterminer par simulation.

Les approximations inhérentes aux approches continues sont globalement valables aux plus fortes pressions à l’échelle de la torche (~1 bar). Cependant, cette validité devient de plus en plus contestable au fur et à mesure que l’élément de volume considéré est proche de la sortie de la torche et, davantage encore, si les mécanismes physiques en jeu aux abords des électrodes sont à préciser. Dans l’enceinte régulée à pression réduite (~10^-3 bar), depuis la zone de transition en sortie de torche jusqu’à la surface de l’échantillon sous test, ces approximations deviennent difficiles à justifier. Dès lors la mise en œuvre d’une approche cinétique par méthode DSMC (Direct Simulation Monte Carlo) devient souhaitable.

Une première phase des travaux a porté sur la résolution des phénomènes d’écoulement dans l’enceinte par mise en œuvre de la DSMC avec le logiciel open-source SPARTA (Stochastic PArallel Rarefied Time-Analyzer). Les avancées en matière d’algorithmes d’approche cinétique, associées à la puissance toujours croissante de calculs, ont permis une extension rapide des possibilités au-delà des frontières traditionnelles d’application si bien qu’il apparaît envisageable de résoudre l’ensemble de notre problématique par DSMC, y compris à l’échelle de la torche. Lors de cette phase d’évaluation de la capacité de la méthode à faire jonction entre le régime proche-continu, à l’échelle de la torche, et le régime transitionnel d’écoulement dans l’enceinte, torche et substrat ont été considérés de manière simplifiée. Dans la torche, l’apport d’enthalpie au gaz plasmagène a été réalisé par conditionnement à partir d’un calcul d’enthalpie équivalente. A la surface de l’échantillon, aucune réaction hétérogène n’a été prise en considération et, outre la prise en compte des interactions gaz/solide via le modèle de Maxwell, seul un calcul d’échange radiatif avec l’environnement a été implémenté.

Au-delà de l’obtention de tendances avec ce premier modèle, l’évolution vers un second modèle complet plus sophistiqué est nécessaire à des fins de compréhension et de prédiction, lorsqu’il devient, par exemple, nécessaire d’avoir accès à des détails de la physique des mécanismes en jeu, là où le diagnostic expérimental ne permet pas un accès direct et non-invasif aux informations utiles. A terme, il s’agirait de traiter le couplage électrodes-plasma, qui conditionne l’évolution des porteurs de charges, en associant la méthode DSMC à une autre approche cinétique : la méthode PIC (Particule In Cell).