DS0206 - Efficacité énergétique des procédés et des systèmes

Interaction plasma-fluide-surface aux interfaces des plasmas froids à pression atmosphérique – PLASMAFACE

Interaction plasma-fluide-surface aux interfaces des plasmas froids à pression atmosphérique

La maitrise de l’interface plasma-environnement est un défi majeur dans la recherche fondamentale et appliquée des plasmas. Les problématiques en interactions plasma-solide et plasma-fluide ont multiplié récemment grâce d’un part à l’intérêt croissant aux plasmas froids à pression atmosphérique (APP). Ce projet vise à explorer des sujets originaux dans ce domaine avec une étude expérimentale de la caractérisation des APP conçus pour induire des fortes interactions plasma-fluide-surface.

Etude expérimentale sur les interactions plasma-fluide-surface des APP, par diagnostics optiques, notamment la micro-spectroscopie des plasmas et surfaces

La recherche dans ce domaine pourrait progresser de plusieurs façons. Premièrement, l’étude directe de l’interface par microscopie pourrait éclaircir et concrétiser la compréhension actuelle, qui est souvent basée par inférence depuis les effets observés à l’échelle macroscopique. Deuxième, l’état de l’art qui comprend majoritairement des études traitant séparément les interactions plasma-solide et plasma-fluide n’est pas encore aussi développé sur leur couplage : l’interaction plasma-fluide-surface (PFS). Troisième, des nouveaux phénomènes de l’interaction pourraient émerger selon l’utilisation des matériaux avancés en tant que surfaces de propagation des plasmas. Afin de répondre à ces enjeux, ce projet vise à réaliser une étude expérimentale de la caractérisation des APP conçus pour induire des fortes interactions plasma-fluide-surface, avec un appui sur les effets hydrodynamiques, par diagnostics optiques, notamment la micro-spectroscopie des plasmas et surfaces. La synthèse de l’analyse mènera la découverte des nouveaux phénomènes aux interfaces ainsi que les mécanismes physico-chimiques de l’interaction plasma-interface de ces APP.

Ce projet vise à réaliser une étude expérimentale de la physique et chimie de l’interaction PFS des décharges APP. L’intégration des diagnostics dans un banc de microscopie permettra une haute résolution spatiale. Nous construisons en premier le banc de microscopie pour l’imagerie et la spectroscopie d’émission optique (OES) du plasma, et de la spectroscopie de Raman spontanée in-situ de la surface. Ce dernier sera renforcé par la caractérisation ex-situ des matériaux. La caractérisation de l’écoulement sera menée par la vélocimétrie laser (PIV) à haute résolution et l’imagerie Schlieren. Nous allons ensuite étudier l’interaction PFS des APP générées dans l’air à pression atmosphérique.

Nous avons pu démontrer des changements significatifs à la fois en propriétés plasmas et mécanique des fluides sur confinement de la décharge à la micro-échelle. Le champ électrique est augmenté en régime microplasma, surtout près de la cathode, par rapport aux études sur les décharges similaires mais à l’échelle millimétrique. Une augmentation correspondante de l’efficacité de l’ionisation est donc attendue et en effet est mise en évidence par une densité d’électrons élevée et une température du gaz réduite. Nous remarquons aussi d’une forte présence des espèces N et N+ mais également l’absence de NO. La présence d’un champ électrique dans les environs de la décharge peut induire la génération d’un panache électrothermique. Ce panache est caractérisé par un écoulement à la fois thermique et EHD, avec la contribution de l’aspect thermique réduite en régime microplasma.

Prochainement, nous visons une série des publications et l’aboutissement d’une thèse pleinement impliquée dans ce projet. Le banc de micro-spectroscopie sera amélioré pour effectuer de la spectroscopie de Raman pulsée. A post-doctorant sera bientôt consacré à renforcer nos activités.

Les résultats issus de ce projet ont été diffusés 7 fois dans des séminaires externes et conférences internationales, dont 3 fois par invitation.

La maitrise de l’interface plasma-environnement est un défi majeur dans la recherche fondamentale et appliquée des plasmas. Les problématiques en interactions plasma-solide et plasma-fluide ont multiplié récemment grâce d’un part à l’intérêt croissant aux plasmas froids à pression atmosphérique (APP). La recherche dans ce domaine pourrait progresser de plusieurs façons. Premièrement, l’étude directe de l’interface par microscopie pourrait éclaircir et concrétiser la compréhension actuelle, qui est souvent basée par inférence depuis les effets observés à l’échelle macroscopique. Deuxième, l’état de l’art qui comprend majoritairement des études traitant séparément les interactions plasma-solide et plasma-fluide n’est pas encore aussi développé sur leur couplage : l’interaction plasma-fluide-surface. Troisième, des nouveaux phénomènes de l’interaction pourraient émerger selon l’utilisation des matériaux avancés en tant que surfaces de propagation des plasmas. Afin de répondre à ces enjeux, nous proposons le projet PLASMAFACE qui a pour objectif d’explorer des sujets originaux dans ce domaine avec une étude expérimentale de la caractérisation des APP conçus pour induire des forts interactions plasma-fluide-surface, avec un appui sur les effets hydrodynamiques, par diagnostics optiques, notamment la micro-spectroscopie des plasmas et surfaces. Deux types d’APP seront développés : les microplasmas générés par décharges nanosecondes répétitives pulsées (µNRP) et les décharges des surfaces nanostructurées. Dans cette étude, ces APP seront générées sur des surfaces solides diélectriques, dans l’air à pression atmosphérique et à température ambiante. Les propriétés des plasmas, surfaces et fluides seront diagnostiqués quantitativement in situ par mesures électriques, micro-spectroscopie et visualisation des écoulements, et ex situ par caractérisation des matériaux. Des compétences en physique des plasmas, mécanique des fluides, procédés des surfaces et nanoscience seront essentielles pour analyser les l’ensemble des résultats expérimentaux provenant de la campagne de mesure proposée. La synthèse de l’analyse mènera la découverte des nouveaux phénomènes aux interfaces ainsi que les mécanismes physico-chimiques de l’interaction plasma-interface de ces APP. Nous chercherons surtout à mettre en évidence la relation entre les phénomènes aux interfaces et l’efficacité énergétique des procédés de ces APP. Au-delà des objectifs fondamentaux, PLASMAFACE s’adresse donc principalement au grand défi sociétal « Energie propre sûre et efficace », avec des retombées possibles pour des applications liées à l’énergétique : contrôle des écoulements et synthèse des nanomatériaux. Les résultats de ce projet seront rapidement diffusés à l’échelle mondiale par voie des conférences françaises et internationales, ainsi que des publications dans des journaux scientifiques reconnus. Les données expérimentales seront également mises en ligne en accès libre afin de servir à la validation des modèles numériques ou théoriques.

Coordinateur du projet

Monsieur David Pai (Institut PPRIME)

L'auteur de ce résumé est le coordinateur du projet, qui est responsable du contenu de ce résumé. L'ANR décline par conséquent toute responsabilité quant à son contenu.

Partenaire

PPRIME Institut PPRIME

Aide de l'ANR 274 986 euros
Début et durée du projet scientifique : septembre 2015 - 48 Mois

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