Simulation de l action d un plasma d air sur un aéronef en vol supersonique.

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1 Simulation de l action d un plasma d air sur un aéronef en vol supersonique. Guillaume Dufour, Bruno Fornet, François Rogier ONERA/DTIM/M2SN STAE/PLASMAX Exposé au GdT Méthodes numériques

2 Plan Le contexte. Objectifs. Brève introduction aux plasmas. Le modèle. Résultats obtenus. Perspectives.

3 Le contexte Contrôle d écoulement à visée aéronautique On envisage de modifier le flot autour d un aéronef en vol. Applications prospectives Réduction de la traînée et augmentation du ratio portance/traînée. Manoeuvrabilité accrue. Réduction de la consommation de carburant. Réduction du boom sonique.

4 Le contexte Mode d action pour le supersonique Deux idées récurrentes dans la littérature : Déformer vers l avant le choc se formant au devant d un aéronef. Elever la température afin de réduire le nombre de Mach dans la zone centrale du choc.

5 Le contexte Essais pour le supersonique Une approche par design : Séparation de l écoulement amont par une perche mécanique. Deux approches par contrôle d écoulement (review de J.-P.Taran et al.) : Injection d espèces réactives dans l écoulement. Dépôt d énergie et/ou transfert de quantité de mouvement par l intermédiaire d un plasma d air.

6 Le contexte Une thématique très multidisciplinaire Nos données sur le sujet proviennent de sources très variées : thématiquement. de par l approche du sujet. Pour un dispositif donné, une question se pose fréquemment concernant son mode d action...

7 Le contexte Quelques références bibliographiques V. M. Fomin, P. K. Tretyakov, J.-P. Taran, Aerospace Science and Technology No. 8 (2004) 411. V. A. Bityurin, A. N. Bocharov, N. A. Popov, west-east high speed flow field conference, Moscow Russia (2007). K. Kremeyer, K. Sebastian, C.-W. Shu, AIAA J. 44 No. 8 (2006) I. G. Girgis, M. N. Schneider, S. O. Macheret, G. L. Brown, R. B. Miles, J. Spacecraft Rockets 43 No. 3 (2006) 607.

8 Objectifs Le dispositif Le dispositif étudié est composé d un laser (Femtoseconde) et d une cavité micro-onde.

9 Objectifs Le projet Je contribue au projet perche virtuelle aérodynamique en collaboration avec notamment : B. Chanetz, D. Packan, P.-Q. Elias, S. Larigaldie, J.-P. Boeuf, J. Larour, A. Mysyrowicz.

10 Objectifs Ma participation au projet Eclaircir les hypothèses de modélisation et étudier les mécanismes de couplage. Gérer numériquement les difficultés provenant du caractère multiphysique et multi-échelle du problème. Nous voulons proposer un modèle, assorti à un coût de calcul raisonnable, permettant : d étudier qualitativement les phénomènes physiques se produisant suite à l introduction d une colonne de plasma ; de se faire une idée des résultats que l on peut espérer obtenir.

11 Brève introduction aux plasmas Qu est-ce qu un plasma? Quelques types de plasma : Plasmas froids / plasmas thermiques / plasmas d arc Plasmas cinétiques / plasmas fluides

12 Modélisation Hypothèses de modélisation I Hypothèses de modélisation et type de modèle obtenu : Le fluide est considéré thermodynamiquement comme un gaz parfait. La dynamique du fluide est décrite par des équations de type Navier Stokes/Euler compressible. La génération du plasma est prise comme condition initiale. Le plasma est décrit par un modèle fluide quasi-neutre. La diffusion des électrons suit une loi de diffusion ambipolaire. Le comportement du fluide et celui du plasma peuvent être décrits par un modèle axisymétrique.

13 Modélisation Hypothèses de modélisation II Cinétique chimique : Les coefficients sont donnés par des formules analytiques qui traduisent leur dépendance par rapport aux variables d état du plasma et à la densité du fluide. Phénomènes pris en compte: Ionisation : A + e A + + 2e, Deux types de recombinaison trois corps : A + + e + e A + e, A + + e + A A + A.

14 Modélisation Equations de conservation de la masse Modèle de diffusion ambipolaire : v e = v D a n e n e. Equation de convection-diffusion pour les électrons : t n e +.(n e v).(d a n e ) = n e (ν i ν rc,n ν rc,e ). La densité n de particules lourdes vérifie : t n +.(nv) = 0.

15 Modélisation Equations décrivant le comportement du fluide et du plasma Equations modélisant le comportement du fluide : t n +.(nv) = 0, t (nv) +.(nv v) = S mov, t (5/2p) +. (7/2pv) = S NRJ. Equations modélisant le comportement du plasma : { t n e +.(n e v).(d a n e ) = S chimie e, t (3/2p e ) +. (5/2p e u e ).(λ e T e ) = S NRJ e.

16 Modélisation Termes de couplage Terme source décrivant le transfert de quantité de mouvement du plasma vers le fluide : S mov = n e ν e (v e v). Terme source décrivant le transfert d énergie du plasma vers le fluide : S NRJ = 2 m e m air k B n e ν e (T e T ) + n e eν rc,n W i. Terme source décrivant la cinétique chimique du plasma : S chimie e = n e (ν i ν rc,n ν rc,e ). Terme source décrivant la variation énergétique du plasma : S NRJ = 2 m e m air k B n e ν e (T e T ) + n e e(ν rc,e ν i )W i.

17 Modélisation Mise en oeuvre numérique J ai couplé le solveur Euler/NS compressible ISAAC (structuré) avec un module plasma (résolution 2-D axisymétrique). Les termes sources sont traités explicitement. Utilisation de deux maillages distincts pour le fluide et le plasma. Ajustement du pas de temps en fonction de la réactivité des phénomènes.

18 Résultats obtenus Quelques ordres de grandeur Initialisation du plasma : Degré d ionisation : 1% Température électronique : K Rayon de la colonne de plasma : 200µm Quelques temps caractéristiques : Durée d action du plasma sur le fluide : 100ns Harmonisation de la pression du fluide dans la zone chauffée : 50µs Durée des phénomènes fluides avantageux provoqués : 100ms

19 Evolution de la température du fluide

20 Evolution de la densité du fluide

21 Evolution de la pression du fluide

22 Evolution de la vitesse axiale du fluide

23 Evolution du nombre de Mach

24 Evolution de la vitesse radiale du fluide

25 Résultats obtenus Effets sur le ratio portance/traînée

26 Perspectives Modélisation plus précise des mécanismes d échange d énergie entre fluide et plasma. Modélisation plus détaillée de la phase de création du plasma. Proposition de méthodes numériques à utiliser au vu des couplages modélisés. Etude de l effet de décharges pulsées.