Analyse d'une couche limite de plasma d'air
par diagnostics laser
et spectroscopie optique
Résumé
Lors de l'entrée hypersonique d'une sonde spatiale dans une atmosphère planétaire,
le bouclier de protection thermique endure des densités de flux allant jusqu'à 1 MW/m2
en raison du rayonnement, de la convection et des réactions chimiques se produisant derrière le front de choc.
Ce milieu est reproduit en laboratoire en utilisant une torche plasma à couplage inductif (ICP)
pour étudier l'interaction entre des plasma à haute enthalpie et des matériaux.
Dans le cadre de la l'étude présentée ici, la couche limite au-dessus d'une plaque plane
en acier inoxydable a été analysée par la détermination des températures et des densités
des espèces moléculaires majoritaires que sont N2, O2 et NO.
Les techniques de diagnostics laser et spectroscopie ont permis de mettre en évidence la caractère hors d'équilibre
du plasma et la production de NO aux environs de la paroi.
Working conditions
- Torche plasma inductive (h = 9 MJ/kg)
- Mélange: air synthétique (80% N2 – 20% O2)
- Débit massique : 2.4 g/s
- Pression statique : 3800 Pa
- Vitesse du jet : 250 m/s
- Température du jet libre : 3000 K
- Position du bord d'attaque : x = 80 mm
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Techniques de diagnostic
Objectifs: Températures (Tvib,Trot) et densités.
LIF (laser-induced fluorescence): NO (X)
OES (optical emission spectroscopy): NO (A)
SRS (spontaneous Raman spectroscopy): N2 (X), O2 (X)
Déséquilibre entre les états excités et fondamentaux
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Les mesures de température rotationnelle par des techniques différentes sur N2, O2 et NO
montrent des résultats cohérents concernant les états fondamentaux et en accord avec la température de translation.
Pour les états excités, l'égalité entre Trot et Ttrans n'est pas valide car
ils sont crées par échange d'excitation par exemple avec l'état métastable de N2 dans le cas de NO.
Ttrans ne peut donc pas être mesurée par spectroscopie d'émission dans ce cas.
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Déséquilibre Vibration – Rotation
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Quelle que soit l'espèce considérée (N2, O2, NO sur leur état fondamental),
les températures de vibration et de rotation ne sont pas égales dans le jet libre comme dans la couche limite.
Ce résultat est attendu pour N2 de par son long temps de relaxation vibrationnelle. Il est inattendu pour O2 et NO.
La conséquence est que chaque mode vibrationnel doit être modélisé séparation dans une simulation numérique.
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Production de NO à la paroi et dans le gaz
Une chimie à l'équilibre et une chimie gelée ne sont pas capable d'expliquer le comportement des densités de NO et O2 dans la couche limite.
Les mesures de densité confirment une double voie de production de NO : une production catalytique à la paroi
Ogas + Nadsorbed → NOgas
et une production en phase homogène suivant la réaction de Zel'dovich
O2 + N → NO + O
et suivant la recombinaison de l'oxygène atomiqu eà la paroi.
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Références
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- D. Studer, P. Vervisch – "Raman scattering measurements within a flat plate boundary layer in an inductively coupled plasma wind tunnel." Journal of Applied Physics (2007), 102, 033303
- D. Studer, P. Boubert, P. Vervisch – "Demonstration of NO production in air plasma–metallic surface interaction by broadband laser-induced fluorescence." Journal of Physics D: Applied Physics (2010) 43 315202
- D. Studer, P. Boubert, P. Vervisch – "NO excitation and thermal non-equilibrium within a flat plate boundary layer in an air plasma." Lasers and Optics (2010)
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