Science des Procédés Céramiques et de Traitements de Surface (SPCTS)

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Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)
Université de Limoges
Ecole Nationale Supérieure de Céramique Industrielle (ENSCI)


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Etude numérique du comportement du jet plasma

Contacts

Bernard PATEYRON bernard.pateyron@unilim.fr
Responsable bases de données T&TWinner, système expert Jets&poudres, expert Stochas
Mohamed El GANAOUI mohammed.elganaoui@unilim.fr
Méthodes numériques
Nicolas CALVE nicolas.calve@unilim.fr
Analyse numérique, interfaçages
Jean-Pierre LECOMPTE lecompte@ensil.unilim.fr
Mesures thermo physiques
Hélène AGEORGES helene.ageorges@unilim.fr
Étude des dépôts


Contexte/objectifs

Utilisation des méthodes de résolution de type « Lattice Boltzmann » pour simuler les jets plasmas soufflés atmosphériques utilisés en projection ?

Dans un contexte scientifique où la modélisation des écoulements semble résolue tant en raison de la puissance croissante des machines informatiques que de l’amélioration des techniques numériques, de nouveaux concepts de calculs émergent. Ce sont typiquement les méthodes de résolution initialement induites par la technologie des robots cellulaires (gaz sur réseau) et qui connaissent depuis une vingtaine d’années un développement théorique autonome. Elles sont dénommées méthode de résolution de Boltzmann sur réseau ou « Lattice Boltzmann method » (LBM).

Ces algorithmes suscitent de l’engouement en raison :

  • de leur aptitude à permettre des représentations visuelles spectaculaires des phénomènes évolutifs,
  • de leur apparence « particulaires »,
  • de leur mise en place sur la base de lois phénoménologiques élémentaires,
  • de leur aptitude à rendre compte de conditions aux limites sur des surfaces complexes (milieux granulaires, milieux poreux, milieux diphasiques),
  • de permettre l’exécution « parallèle » des calculs.

Ces méthodes semblent donc parfaitement utilisables pour simuler un jet plasma de projection thermique ainsi que l’interaction avec la matière pulvérulente transportées.

Mais pratiquement subsistent un certain nombre d’obstacles, citons les suivants :

  • La méthode LBM ne rend pas très bien compte des échanges thermiques, or ceux-ci sont primordiaux dans un jet plasma d’arc soufflé.
  • Comment rendre compte des gradients de propriétés de transport : viscosité, conductivité thermique, ... ?
  • Comment rendre compte de la symétrie axiale du jet, afin de diminuer les temps de calculs ?

Ce sont ces problèmes qui se posent à la communauté scientifique, nous avons proposé des solutions sur l’exemple d’un jet de gaz binaire (argon-hydrogène) immergé dans une atmosphère de même nature. Pour ce faire nous avons modifié les équations standards du modèle LBM pour tenir compte de l’axisymétrie du jet. La turbulence est représentée selon un modèle de Smagorinsky et les propriétés thermodynamiques et de transport du gaz extraites de T&TWinner (http://ttwinner.free.fr).

En premières conclusions, ces méthodes semblent compétitives avec celles déjà en place dans Jet&poudres (voir Figure 1, Figure 2) et des gains de performance supplémentaires sont attendus dans la représentation de jets ensemencés de particules.

 

Cartographie des températures distributions selon Jet&Poudres code (au dessus) et LBGK (en dessous)
 
Simulation de la cartographie des températures selon LBGK D2Q9 lattice avec un modèle de turbulence de Smagorinsky (Csmag=0.18 and Prt=0.3) pour un jet impactant normalement la cible
Figure 1 – Cartographie des températures distributions selon Jet&Poudres code (au dessus) et LBGK (en dessous).   Figure 2 – Simulation de la cartographie des températures selon LBGK D2Q9 lattice avec un modèle de turbulence de Smagorinsky (Csmag=0.18 and Prt=0.3) pour un jet impactant normalement la cible.


Activités

L’activité du projet se canalise sur les points suivants :

  • Le projet Jets&poudres proprement dit (+ de 200 téléchargements par an),
  • T&TWinner base de données et de calculs des propriétés thermodynamiques et de transport (mise en ligne sur internet en décembre 1999 et plus de 600 téléchargements en 2009),
  • Le projet Stochas de reconstruction 3D d’un matériau non homogène ou poreux (ici dépôt) à partir d’images de microscopie et évaluation des propriétés thermomécanique par la méthode Lattice Boltzmann.


Publications sélectionnées

  1. R. Djebali, B. Pateyron, M. El Ganaoui, H. Sammouda
    Axisymmetric high temperature jet behaviours based on a lattice Boltzmann computational method. Part I : Argon Plasma
    International review of Chimical Engineering, vol. 1, n. 5 pp. 428-438

  2. Meillot, E., Vardelle, A., Coudert, J.F., Pateyron, B., Fauchais, P.
    Plasma spraying using Ar-He-H2 gas mixtures
    1st Proceedings of the International Thermal Spray Conference, 803-808 (1998)

  3. B. Pateyron, G. Delluc and N. Calvé
    T&TWinner, the chemistry of non-line transport properties in interval 300K to 20000 K
    Mécanique et industries 6 (2005) 651-654

  4. B. Pateyron, G. Delluc and P. Fauchais
    Chemical and transport properties of carbon-oxygen hydrogen plasmas in isochoric conditions
    Plasma Chemistry and Plasma Processing 25 (2005) 485-502

  5. B. Pateyron
    ADEP - Thermodynamic and transport properties Data Base
    Codata Newsletter November (1993)

  6. Pateyron, B., Elchinger, M.F., Delluc, G., Fauchais, P.
    Sound velocity in different reacting thermal plasma systems
    Plasma Chemistry and Plasma Processing 16 (1996) 39-57

  7. B. Pateyron, M.F. Elchinger, G. Delluc, P. Fauchais
    Sound velocity in different reacting thermal plasma coatings
    Plasma Chemistry Plasma Processing 16 (1), p 39-57, (1996)

  8. W.L.T. Chen, J. Oberlein, E. Pfender, B. Pateyron, G. Delluc, M.F. Elchinger, P. Fauchais
    Thermodynamic and transport properties of argon/helium plasmas at atmospheric pressure
    Plasma chemistry and plasma processing, 15 (3), p 559-579, (1995)

  9. B. Pateyron and G. Delluc
    Logiciel TT Winner, ADEP Banque de données de l’Université de Limoges et du CNRS
    (Ed.) Direction des bibliothèques, des Musées et de l’Information Scientifique et technique, France (1986),
    disponible sur le site http://ttwinner.free.fr
    "Jets&Poudres" free downlowd from http://www.unilim.fr/spcts or http://jets.poudres.free.fr


  10. B. Pateyron
    "Code ADEP - Chimie sur Minitel"
    Le Journal du CNRS Mai 1992, LMCTS "ADEP-Junior" Fiche logiciel L’actualité chimique N° 3 Mai-juin 1993, Anonyme "ADEP - Thermodynamic and transport properties Data Base" Codata Newsletter November 1993
    "T&TWinner" free downlowd from http://www.unilim.fr/spcts or http://ttwinner.free.fr

Mis à jour le 8 mars 2010

© SPCTS - Centre Européen de la Céramique - 12 Rue Atlantis - 87068 LIMOGES Cedex - Tél : 05 87 50 23 03 - Fax : 05 87 50 23 09 - Courriel : spcts unilim.fr