Published December 16, 2010 | Version v1
Miscellaneous Open

Contribution to the study of properties of two-temperature plasmas - Application to Argon and Air

Description

In the field of thermal plasmas, numerous industrial processes are characterized by assuming thermal equilibrium. However, these equilibrium conditions are not fulfilled near the boundary of plasmas created by electric arcs or plasma jets. The deviations from the equilibrium change then considerably the kinetics of the chemical environment and can affect the process being studied. Understanding, analysis and prediction of these processes require a modeling of two temperature plasma physics (2T). This model is based on the prior calculation of 2T plasma properties calculation which is the subject of this thesis. The first part of this work is devoted to calculate the two temperatures plasma composition of argon plasma and air plasma. The challenge is to determine the electronic temperature, vibrational and rotational excitation, which are then used to choose the physical laws governing the population of species. While the electron temperature Te can be sufficient to characterize the high temperature plasma, the temperature Tg of the 'heavy' for the low temperatures is needed. There are several theories in the literature to calculate the densities of species for non-equilibrium plasma but the originality of this work is in the establishment of a 'pseudo-kinetic' law governing the settlement of species for the intermediate temperatures. The different methods studied are validated in the case of argon plasma at equilibrium before being applied to a non-equilibrium argon plasma and air plasma. Several results are proposed in order to identify and analyze the differences obtained by the methods applied. The second part concerns the calculation of thermodynamic properties. It is based on a literature review of existing methodologies and data necessary to obtain such properties (enthalpy of formation, energies, and vibrational levels and rotational...). A special effort is made to separate the contributions of those electrons and heavy particles in exchanges of energy. The results (ρ mass density, enthalpy H and heat capacity at constant pressure Cp) are validated by comparison with plasma equilibrium and compared them according to the methods used to calculate composition. The last part of this thesis is dedicated to the calculation of transport coefficients: electrical conductivity σ, thermal conductivity κ and viscosity η for argon plasma at two temperatures. We discuss the outline of calculations intermediate properties (enthalpy of formation, collision cross section, collision integrals) before introducing the different theories available in literature. A calculation at equilibrium is presented to validate the consistency of the expressions chosen before concluding with a presentation of the transport coefficients of thermal non-equilibrium argon plasma. (author)

Abstract (French)

Dans le domaine des plasmas thermiques, de nombreux procedes industriels sont caracterises en supposant l'equilibre thermique. Cependant ces conditions d'equilibre ne sont pas remplies pres des bords des plasmas crees par des arcs electriques ou des jets de plasmas. Les ecarts a l'equilibre modifient alors considerablement la cinetique chimique du milieu et peuvent affecter le procede etudie. La comprehension, l'analyse et la prediction de ces procedes demandent alors une modelisation physique du plasma a 2 temperatures (2T). Cette modelisation s'appuie sur le calcul prealable des proprietes du plasma 2T, calcul qui fait l'objet de cette these. La premiere partie de ce travail est consacree au calcul de la composition d'un plasma d'argon et d'un plasma d'air a deux temperatures. La difficulte consiste a determiner les temperatures electronique, d'excitation vibrationnelle et rotationnelle qui permettent ensuite de choisir les lois physiques regissant le peuplement des especes. Alors que la temperature electronique Te peut suffire pour caracteriser le plasma a haute temperature, il faut connaitre la temperature des 'lourds' T-g pour les basses temperatures. Il existe dans la litterature plusieurs theories permettant de calculer les densites des especes pour un plasma hors equilibre mais l'originalite de ce travail se trouve dans l'etablissement d'une loi 'pseudo-cinetique' regissant le peuplement des especes pour les temperatures intermediaires. Les differentes methodes etudiees sont validees dans le cas d'un plasma d'argon a l'equilibre avant d'etre appliquees hors equilibre pour un plasma d'argon et un plasma d'air. Plusieurs resultats sont proposes dans le but de mettre en evidence et d'analyser les differences obtenues selon les methodes appliquees. La seconde partie concerne le calcul des proprietes thermodynamiques. Elle s'appuie sur une etude bibliographique des methodes de calcul deja existantes et des donnees indispensables a l'obtention de telles proprietes (enthalpies de formation, energies, niveaux de vibration et de rotation...). Un effort particulier est fait pour separer les contributions des electrons et celles des particules lourdes dans les echanges d'energie. Les resultats obtenus (densite de masse (ρ, enthalpie H et chaleur specifique a pression constante Cp) sont valides par comparaison avec un plasma a l'equilibre puis compares entre eux suivant les methodes utilisees pour le calcul de composition. La derniere partie de cette these est dediee aux calculs des coefficients de transport: conductivite electrique σ, conductivite thermique κ et viscosite η pour des plasmas d'argon et d'air a deux temperatures. Nous evoquons les grandes lignes de calculs des proprietes intermediaires (enthalpies de formation, section efficaces de collision, integrales de collision) avant de presenter les differentes theories existantes dans la litterature. Un calcul a l'equilibre est presente pour valider la coherence des expressions choisies avant de conclure sur une presentation des coefficients de transport hors equilibre thermique d'un plasma d'argon et d'air. (auteur)

Files

52064408.pdf

Files (21.6 MB)

Name Size Download all
md5:890c09a17348233d74bdb5f26d28ec63
21.6 MB Preview Download

Additional details

Additional titles

Original title (French)
Contribution a l'etude des proprietes des plasmas a deux temperatures - Application a l'Argon et a l'Air

Publishing Information

Imprint Pagination
181 p.
Report number
FRNC-TH--11828

Optional Information

Notes
Available from the INIS Liaison Officer for France, see the INIS website for current contact and E-mail addresses