GREPHE – GROUPE DE RECHERCHE ENERGETIQUE, PLASMA ET HORS EQUILIBRE

PRÉSENTATION

Le groupe GREPHE se compose de 15 chercheurs et enseignants-chercheurs, d’un assistant-ingénieur et d’une quinzaine de doctorants et post-doctorants.
Les activités de recherche du groupe se situent à l’interface entre la physique et l’ingénierie. Les systèmes physiques étudiés sont pour la plupart hors-équilibre ou très éloignés de l’équilibre thermodynamique, dans les domaines des plasmas froids et de la thermique.

L’équipe mène des recherches amont basées sur l’expérience et la modélisation pour lever des verrous scientifiques et technologiques dans des domaines d’applications divers en physique des plasmas et en énergétique. Parmi ces domaines d’applications, on peut citer la propulsion spatiale à plasma, la source d’ions pour l’injecteur de neutres d’ITER, la séparation massique par plasma, les métamatériaux microonde à base de plasma, les boucles diphasiques à pompage capillaire pour la gestion thermique de l’électronique, l’intensification des transferts thermiques par morphing de paroi ou par des méthodes EHD.

L’équipe a développé une forte expertise dans la modélisation et la simulation des plasmas-hors-équilibre et des phénomènes de transfert radiatif : modèles particulaires, fluides et hybrides en physique des plasmas, méthodes de Monte Carlo, formulation intégrale de l’équation de Boltzmann, méthode Boltzmann sur réseau en physique des transferts thermique. Elle joue un rôle actif dans le développement de bases de données (LXCat pour les sections efficaces electron-molécule dans les plasmas, sections efficaces d’absorption dans les mélanges de gaz pour application aux modèles de circulation atmosphérique planétaire ou à la combustion) ainsi que dans la plateforme EDSTAR (modélisation de systèmes thermiques complexes) et la start-up MESOSTAR.

Tout en consolidant son expertise en théorie et modélisation, l’équipe GREPHE poursuit le développement d’une activité expérimentale représentant 30% de ses activités. Les expériences sont conçues avec deux objectifs principaux : apporter des éléments de validation aux modèles développés par l’équipe et étudier de nouveaux concepts.

PLASMAS MAGNETISES :

L’équipe a développé au cours des années une expertise unique des plasmas froids partiellement magnétisés dont les propriétés sont distinctes de celles des plasmas de fusion mais qui sont également le siège de phénomènes de transport complexes (instabilités, turbulence, dérive EXB et phénomènes de rotation). Elle s’intéresse à la physique de base de ces plasmas à l’aide d’approches théorique et de modélisation fluide et cinétique, qu’elle met en œuvre dans le cadre d’applications aux sources d’ions pour la propulsion, pour le faisceau de neutres d’ITER ou pour la séparation massique. Depuis 2017 elle a initié une étude expérimentale d’un nouveau concept de propulseur plasma.

Ce thème de recherche s’articule autour de 4 sous-thèmes :

Instabilités dans les plasmas magnétisésPropulsion plasmaInjection de neutres - Fusion magnétiquePlasmas en rotation

Instabilités dans les plasmas magnétisés :

L’équipe a démarré de nouvelles activités pour répondre au défi majeur en modélisation, que représente la description d’instabilités et de phénomènes de turbulence dans les plasmas froids magnétisés (propulseurs de Hall, sources d’ions pour la fusion, magnétrons etc…).

  1. Modélisation fluide. Ce travail vise à développer, pour la première fois, des modèles fluides capables de décrire ces instabilités de façon détaillée et auto-cohérente. Objectifs : (i) maîtrise de la résolution numérique de ces instabilités fluides, élimination d’artefacts numériques ; (ii) caractérisation et interprétation théorique des instabilités observées dans les simulations fluides, d’abord en régime linéaire (à l’aide de relations de dispersion) puis en régime saturé ; (iii) évaluation des capacités des simulations fluides à reproduire des résultats de simulations PIC et expérimentaux ; (iv) amélioration des approximations fluides. Travaux effectués en collaboration avec le Prof. A<. Smolyakov (Univ. Saskachewan, Canada).
  2. Benchmarks. Dans le cadre du chantier RTRA-STAE IMPULSE, nous avons initié et organisé des benchmarks pour la simulation numérique des instabilités et du transport électronique anormal dans les plasmas froids magnétisés, avec la participation des principales équipes internationales du domaine (LPP Palaiseau, Saskachewan, Bari, Texas …), ainsi que des workshops à Toulouse (2017) et Princeton (2018) pour discuter des résultats. L’objectif est de résoudre les incohérences dans la littérature existante, d’établir un consensus international sur les résultats de ces simulations et de leur interprétation physique, puis d’avancer dans la compréhension du transport anormal.

Contacts : Jean-Pierre Boeuf, Gerjan Hagelaar

Propulsion plasma :

Les activités en propulsion plasma ont connu un nouvel essor avec plusieurs directions de recherche et un nouvel axe expérimental s’appuyant sur la modélisation :

  1. Amélioration de la description numérique du transport électronique dans les plasmas magnétisés et étude détaillée des instabilités et des phénomènes de turbulence responsables du transport électronique anormal dans les propulseurs à plasma (chantier RTRA IMPULSE). Ces travaux sont décrits dans la section « instabilités dans les plasmas magnétisés ».
  2. Modélisation de cathodes émissives de propulseurs (voir section « sources plasma »)
  3. Étude de propulseurs pour petit satellite (propulseurs de Hall de faible puissance, propulseurs à arc sous vide) en collaboration avec la start-up Exotrail et la PME COMAT.
  4. Conception d’un nouveau concept (breveté) de propulseur double étage à courant de HALL (ID-HALL), et mise en place d’une expérimentation destinée à étudier ce concept, et utilisant une chambre à vide propulsion héritée du GREMI. La source d’ionisation de ce nouveau propulseur est décrite dans la section source plasma. Cette activité expérimentale, appuyée par la modélisation, est entièrement nouvelle, et est soutenue par le CNES. Ces travaux sont également intégrés dans un projet propulsion plus vaste (INNPULSE), soutenu par le RTRA STAE, que nous coordonnons, et qui implique plusieurs autres équipes du site Toulousain (IMT, IMFT, ONERA) dont une équipe du LAPLACE (MPP) qui développe une activité expérimentale sur les propulseurs à arc sous vide pulsés (collaboration avec COMAT).
  5. Etude d’une configuration magnétique alternative pour réduire les interactions plasma-surface avec l’Institut ICARE d’Orléans.
  6. Etude de l’émission secondaire électronique par impact d’électrons avec l’ONERA.

Contacts : Laurent Garrigues

Propulseur double étage ID-Hall

Injection de neutres – Fusion magnétique :

Nous avons développé des modèles 2D et 3D Particle-In-Cell (PIC) avec inclusion des collisions par la méthode Monte-Carlo (MCC) ainsi que des algorithmes fluides (ions et électrons) en 2D. Les calculs PIC-MCC sont parallélisés via les librairies MPI et OpenMP. Ces modèles ont été utilisés pour caractériser les sources d’ions pour la fusion : asymétrie du plasma (causé par une polarisation transverse du plasma – effet Hall), dynamique des neutres (déplétion et fonction de distribution non-Maxwellienne), propriété du faisceau d’ions négatif extraits (profil faisceau, divergence lois d’échelles) et incidence de l’électrode plasma portée à un potentiel de bias positif sur le plasma.
Récemment nos modèles ont été utilisés pour le développement de concepts avancés d’injecteurs de neutres pour les Tokamak qui succèderont à ITER (projet DEMO) avec deux volets : (i) extraction d’ions négatifs d’une colonne de plasma magnétisée généré par hélicons, (ii) neutralisation du faisceau d’ions négatifs par plasma (Enabling Research EUROfusion).

Contacts : Gwenaël Fubiani

Plasmas en rotation :

Un axe de recherche de l’équipe concerne l’étude de l’effet de la rotation sur certaines propriétés physiques d’un plasma. Ces activités se déclinent à la fois au niveau de la physique de base et au niveau des applications.

Au niveau théorique, ces activités s’intéressent à l’effet de la rotation sur la conductivité électrique d’un plasma [1], et par là-même, aux possibilités de contrôler la rotation dans des géométries dites de champs croisés [2]. Parallèlement, des travaux sont en cours pour mieux comprendre l’effet de la rotation sur les propriétés de polarisation d’une onde dans un plasma magnétisé en rotation [3].

Un second volet de ces activités concerne les possibles applications pratiques de ces effets de rotation. En particulier, une application prometteuse réside dans l’utilisation de plasmas en rotation pour la séparation massique [4]. Le développement de solutions de séparation plasma pourraient être particulièrement attractives pour diverses applications à fort impact sociétal, telles que le recyclage des terres rares ou le retraitement de déchets nucléaires.

Contacts : Renaud Gueroult

Illustration du potentiel des techniques de séparation massique par plasma pour le
retraitement de déchets nucléaires (a) et de combustible nucléaire usé (b), et pour le
recyclage de terres rares à partir d’aimants NdFeB (c).

[1] Rax, J. M. ; Kolmes, E. J. ; Ochs, I. E. ; Fisch, N. J. & Gueroult, R., Nonlinear ohmic dissipation in axisymmetric DC and RF driven rotating plasmas, Phys. Plasmas, 2019, 26, 012303

[2] Gueroult, R. ; Zweben, S. J. ; Fisch, N. J. & Rax, J.-M., E x B configurations for high-throughput plasma mass separation : An outlook on possibilities and challenges, Phys. Plasmas, 2019, 26, 043511.

[3] Gueroult, R. ; Shi, Y. ; Rax, J.-M. & Fisch, N. J., Determining the rotation direction in pulsars, Nat. Commun., 2019, 10, 3232

[4] Gueroult, R. ; Rax, J.-M. ; Zweben, S. & Fisch, N. J., Harnessing mass differential confinement effects in magnetized rotating plasmas to address new separation needs, Plasma Phys. Control. Fusion, 2018, 60, 014018

SOURCES PLASMAS :

L’équipe possède une forte expertise dans la modélisation de sources de plasmas froids de natures diverses, qu’elle met à profit pour aider à mieux comprendre la physique en jeu (mécanismes de base, couplage d’énergie) et pour contribuer à leur optimisation. Ces travaux se font pour la plupart dans le cadre de projets en collaboration avec des expérimentateurs et souvent en partenariat avec des industriels.

Ce thème de recherche se décompose actuellement en 4 sous-thèmes :

Cathode émissiveSource inductive magnétisée pour la propulsionSource à la PA pour le traitement de semencesDécharges pour le conditionnement de surface

Cathode émissive :

Les cathodes utilisées dans le cadre la propulsion plasma sont la plupart du temps constituées de matériaux thermo-émissifs (BaO, LaB6) avec un dispositif de préchauffage qui permet de produire des courants électroniques dont le but est soit de neutraliser le faisceau ionique (moteurs à grilles extractrices), soit de fournir les électrons nécessaires à l’ionisation et à la neutralisation du faisceau ionique (moteurs de Hall).

Un modèle de la cathode (géométrie cylindrique bidimensionnelle) transitoire auto-cohérent a été développé. Il est aujourd’hui un des deux seuls modèles disponibles dans la communauté de la propulsion électrique. Ce modèle incorpore une description fluide du plasma en supposant des distributions des espèces Maxwellienne, ainsi que des transferts thermiques aux parois (couplage avec un modèle thermique), qui conditionnent en grande partie le bon fonctionnement de la cathode. Un soin particulier a été apporté à la modélisation de l’émetteur thermoïnique. Ce modèle a permis récemment de :

  1. Mettre en évidence certains phénomènes d’instabilité du plasma spécifiques de cette décharge (modes spot et plume), qui ont été jusqu’ici observés expérimentalement.
  2. D’explorer des géométries et courants variables. Des validations des propriétés électroniques via des mesures de diffusion Thomson sont en cours. Une collaboration avec l’Université du Michigan vient de démarrer.

Contacts : Laurent Garrigues

(2) Illustration du potentiel des techniques de séparation massique par plasma pour le
retraitement de déchets nucléaires (a) et de combustible nucléaire usé (b), et pour le
recyclage de terres rares à partir d’aimants NdFeB (c).

[1] G. Sary, L. Garrigues, and J. P. Boeuf, “Hollow Cathode Modeling. I. A Coupled Plasma-Thermal Two-Dimensional Model”, Plasma Sources Sci. and Technol. 26, 055007 (2017).

[2] G. Sary, L. Garrigues, and J. P. Boeuf, “Hollow Cathode Modeling. II. Physical Analysis and Design Studies”, Plasma Sources Sci. and Technol. 26, 055008 (2017).

Source inductive magnétisée pour la propulsion :

Dans le nouveau concept de propulseur double étage ID-Hall, l’étage d’ionisation est constitué d’une source à couplage inductif magnétisée. Cette source est adaptée à la géométrie cylindrique du propulseur de Hall (elle est placée dans le cylindre central) et, du fait du champ magnétique, permet d’entretenir un plasma à très basse pression (jusqu’à 0.1 mTorr). La configuration magnétique de la source a été choisie et optimisée de manière à confiner efficacement le plasma et à permettre un raccordement avec l’étage d’accélération du propulseur. L’étude, essentiellement expérimentale, a récemment permis :

  1. d’optimiser l’efficacité de couplage. Grâce à une diminution de la fréquence à 4 MHz et la conception d’une boîte d’accord spécifique, le couplage capacitif a été minimisé. L’utilisation de ferrites adaptées a permis de maximiser l’efficacité du transfert de puissance pouvant atteindre plus de 90%.
  2. de caractériser la source. Cette étude a mis en évidence le rôle de la pression et de la configuration magnétique sur le confinement du plasma. En outre, elle a démontré la capacité de cette source à produire un plasma de densités comparables à celles rencontrées dans un propulseur de Hall simple étage.

Contacts : Freddy Gaboriau

Le propulseur de hall à double étage ID-Hall. Le cylindre interne est en quartz et les autres
parois de la chambre d’ionisation et du canal sont en céramique. Les lignes de champ
magnétique sont indiquées dans la partie inférieure de la figure. La partie supérieure montre
la lumière émise par un plasma d’argon généré par la source RF autour du cylindre intérieur
(sans la partie extérieure du propulseur) et illustre la forme toroïdale idéale du plasma
généré par la bobine située juste en amont de la phase d’accélération du propulseur.

[1] L. Dubois, F. Gaboriau, L. Liard, D. Harribey, C. Hénaux, L. Garrigues, G. J. M. Hagelaar, S. Mazouffre, C. Boniface, and J. P. Boeuf, “ID-Hall, a New Double Stage HallThruster Design I : Principle and Hybrid Model of ID-Hall”, Phys. Plasmas 25, 093503 (2018).

[2] L. Dubois, F. Gaboriau, L. Liard, C. Boniface, and J. P. Boeuf, “ID-HALL, a new double stage Hall thruster design. II. Experimental characterization of the inductive ionization source”, Phys. Plasmas 25, 093504 (2018).

Source à la PA pour le traitement de semences :

Cette thématique de recherche a pour objectif d’évaluer le potentiel d’un traitement par plasma à pression atmosphérique pour homogénéiser et minimiser les traitements actuels des semences, pour décontaminer et lutter contre les agressions extérieures (conservation des semences) et pour améliorer la germination des semences.

Le traitement par plasma est une technique de traitement dite « sèche » qui pourrait permettre de minimiser l’usage de produits chimique dans la phase de prétraitement des semences et diminuer l’usage d’eau dans la phase de germination des semences. Dans ce travail de recherche, un des éléments principaux concerne la conception, la caractérisation et l’optimisation d’une source plasma à pression atmosphérique. Son potentiel de traitement doit conjuguer l’amélioration des performances sans dégrader les échantillons biologiques traités.

La démarche consiste à étudier l’apport du plasma en absence des autres intrants, mais aussi à envisager le plasma comme un « activateur » pour améliorer la tenue des substances actives aux semences, optimisant ainsi l’usage des intrants. Cette approche permettra ainsi d’évaluer l’effet synergique potentiel du plasma et des intrants pour un recours raisonné aux traitements et aux ressources.

La source développée permet de produire plusieurs centaines de décharge de type pointe/plan, elle est alimentée par une alimentation continue 35 kV, 1mA dans l’air. Les semences sont soit directement en contact avec le plasma, soit nous utilisons le vent ionique produit par les décharges. La source a également un potentiel de décontamination qui est également étudié dans ce travail.

Contacts : Philippe Belenguer

Décharges pour le conditionnement de surface :

Nous avons finalisé une étude de modélisation de GDC (GLow Discharge Cleaning) démarrée au cours du quadriennal précédent dans le cadre d’un contrat CEA, sur la demande d’ITER Organisation. GDC est une technique courante pour le conditionnement des parois de tokamaks qui consiste à appliquer une décharge continue en absence du champ magnétique toroïdal, entre plusieurs anodes insérées dans l’enceinte à vide du tokamak et les parois mêmes de l’enceinte faisant office de cathode (creuse).

Nous avons développé un modèle auto-cohérent de la décharge GDC, permettant de mettre au clair (pour la première fois) les principes physiques de cette décharge et de prédire la distribution du courant d’ions sur les parois, en vue de la conception du système GDC d’ITER. Le modèle est basé sur une approche hybride, combinant un modèle fluide du plasma froid avec une simulation particulaire des électrons énergétiques issus des parois. Les résultats du modèle ont été validés à l’aide de données expérimentales obtenues sur un dispositif de laboratoire à échelle réduite ainsi que sur plusieurs grandes machines de fusion.

Contacts : Gerjan Hagelaar

Comparaison des profils de taux d’ionisation pour une pression de gaz de 0,5 Pa
en décrivant les électrons rapides par une approche fluide (gauche)
et par une simulation de Monte Carlo 2D. L’échelle de couleur est logarithmique sur deux décades
les limites étant indiquées en unités m−3s−1.

[1] G. J. M. Hagelaar, D. Kogut, D. Douai, and R. A. Pitts, “Modelling of tokamak glow discharge cleaning I : physical principles”, Plasma Phys. Control. Fusion 57 025008 (2015).

[2] D. Kogut, D. Douai, G. J. M. Hagelaar, and R. A. Pitts, “Modelling of tokamak glow discharge cleaning II : comparison with experiment and application to ITER”, Plasma Phys. Control. Fusion 57 025009 (2015).

PLASMAS ET MICRO-ONDES :

Cette thématique à l’interface entre la physique des plasmas et les micro-ondes est étudiée depuis 2007 en étroite collaboration avec des spécialistes des micro-ondes, l’équipe GRE du LAPLACE dans le cadre de l’action transversale 3EP, et l’équipe DEOS de l’ISAE-SUPAERO depuis 2010.

Le plasma est un milieu dont la permittivité, vis-à-vis d’une onde électromagnétique, présente des valeurs négatives ou comprises entre 0 et 1. Cette permittivité qui dépend étroitement de la densité électronique du plasma et de la fréquence de collision entre les électrons et les neutres peut être facilement modulée.

Cette propriété remarquable fait ainsi du plasma un objet idéal pour contrôler la propagation d’une onde qui peut être réfléchie, transmise ou absorbée. Selon la puissance de l’onde électromagnétique mise en jeu, l’interaction entre l’onde et le plasma peut être linéaire ou non.
Historiquement, nos activités à la fois expérimentales, numériques et théoriques, ont consisté à concevoir des dispositifs micro-ondes reconfigurables par plasma (antennes, filtres, coupleurs, …), mais ces dernières années ont vu également se développer tout un pan de recherche sur de nouveaux moyens de générer un plasma à partir de sources micro-ondes.

Ce thème de recherche s’articule autour de 2 sous-thèmes :

Contrôle de la propagation d’une ondeNouvelles générations de plasmas par des dispositifs micro-ondes

Contrôle de la propagation d’une onde :

Nos travaux récents font partie des premiers à démontrer expérimentalement la possibilité de reconfigurer des métamatériaux, des antennes ou encore des filtres à l’aide de plasmas. Des premiers démonstrateurs de circuits micro-onde autolimitant à base de plasma en technologie planaire [1] et des antennes plasma miniatures [2] ont été réalisés.

Ces travaux nous ont permis d’améliorer la compréhension de l’interaction non-linéaire entre une onde et un plasma et d’étudier divers types de plasmas : micro-décharges, décharges luminescentes à la pression atmosphérique et plasma RF basse pression. Nous avons pu ainsi évaluer théoriquement et expérimentalement les temps de commutation de ces dispositifs (point clé de la reconfigurabilité), aussi bien en champ micro-onde qu’en champ DC, et nous avons montré comment le champ micro-onde conduit à l’expansion du plasma, sous quelle forme et à quelle vitesse.

Nous avons par ailleurs démontré l’influence de la chimie du plasma sur cette expansion. Enfin, des premiers éléments d’analyse numérique et expérimentaux sur les antennes miniatures nous ont permis de mettre en évidence le rôle joué par le gradient de permittivité (i.e. le gradient de densité électronique) sur la propagation de l’onde.

Actuellement, nos objectifs sont de mieux comprendre, à l’aide modèles et d’expériences, les phénomènes observés afin de dégager des pistes théoriques d’amélioration des dispositifs et d’identifier de nouveaux concepts. Nous cherchons en particulier à mieux comprendre : 1) la répartition de la puissance micro-onde interagissant avec le plasma, 2) l’effet du gradient de densité, 3) le passage par « zéro » de la permittivité, 4) les phénomènes de résonance.

Contacts : Thierry Callegari

Simulation 2D-FDTD d’un circuit micro-onde autolimitant
à base de plasma en technologie planaire.

Antenne plasma miniature (Ø 215 mm) dans un mélange Ne-Xe1%.

[1] A. Simon, R. Pascaud, T. Callegari, L. Liard and O. Pascal, “Experimental Study of Microwave Power Limitation in a Microstrip Transmission Line Using a DC Plasma Discharge for Pre-ionization”, IEEE Transactions on Plasma Science, v. 46, n° 7 (2018)

[2] V. Laquerbe, R. Pascaud, A. Laffont, T. Callegari, L. Liard, and O. Pascal,  » Towards antenna miniaturization at radio frequencies using plasma discharges”, Physics of Plasmas 26, 033509 (2019)

Nouvelles générations de plasmas par des dispositifs micro-ondes :

L’utilisation des micro-ondes pour l’allumage et l’entretien d’un plasma basse pression est une problématique connue de la communauté. Néanmoins, l’apparition récente de nouveaux dispositifs micro-ondes nous a conduit à des études expérimentales sur deux cas spécifiques :

Métamatériaux

Certains métamatériaux permettent de générer une perméabilité négative sur un domaine de fréquence. L’idée est de plonger ce métamatériau dans un plasma pour réaliser expérimentalement un matériau doublement négatif aussi appelé « main gauche ». La thèse a permis de mettre en place les outils de caractérisation d’un tel dispositif en environnement contraint. Les travaux se focalisent sur la mesure de cet effet main gauche, et nécessitent un travail de simulation pour la compréhension des mécanismes physiques engendrant les mesures obtenues. L’influence du gradient de densité apparait importante et des pistes sont envisagées pour la compenser.

Retournement temporel

Le retournement temporel est une technique de focalisation d’onde extrêmement fertile en applications. Dans le domaine électromagnétique en cavité réverbérante, cette technique permet de focaliser l’énergie en un court instant et en un point choisi de l’espace. Appliquée au plasma, elle pourrait permettre de contrôler dans le temps et dans l’espace la position d’un plasma uniquement par la forme d’onde. La thèse de Valentin Mazières dans l’équipe GRE, démarrée en 2017 et financée par la DGA, et soutenue par le CEA Gramat via le prêt de moyens expérimentaux, a permis de réaliser un banc expérimental et de démontrer la faisabilité [3]. Ce travail implique notre équipe sur la réalisation du banc, et sur la caractérisation du plasma. Un travail de modélisation numérique de ces plasmas est également en cours.

Contacts : Laurent Liard

[3] Valentin Mazières, Romain Pascaud, Laurent Liard, Simon Dap, Richard Clergereaux, and Olivier Pascal, “Plasma Generation using Time Reversal of Microwaves”, Appl. Phys. Lett. 115, 154101 (2019)

SYSTEMES THERMIQUES DIPHASIQUES :

Intensification des transferts par morphing de paroi :

Le concept d’échangeur de chaleur intégrant un morphing dynamique de paroi pour la performance et la compacité a été validé dans le précédent quinquennal. Sur cette base, un projet FUI a été initié sous l’impulsion de partenaires industriels (KONTRON notamment) afin de concevoir, réaliser et tester un prototype préindustriel d’échangeur ayant pour vocation le refroidissement d’une électronique embarquée.

Compte-tenu de l’application, le cahier des charges était très contraint en termes de performances thermiques, de consommation énergétique, de compacité, de coût, de robustesse et de fiabilité. Un travail important a ainsi dû être réalisé afin d’optimiser ces différents paramètres en prenant notamment en compte les interactions fluide/structure et les couplages entre les aspects électromécaniques de l’actionnement et les caractéristiques thermo hydrauliques de l’échangeur.

Effet de la mouillabilité sur la condensation en gouttes :

Le régime de condensation en gouttes est particulièrement efficace d’un point de vue thermique. Le maintien de ce régime, notamment en l’absence de gravité, passe par un mécanisme d’évacuation des gouttes les plus grosses afin de permettre la formation et la croissance cyclique de plus petites gouttes.

La distribution qui s’établit est fonction d’un nombre important de paramètres avec des sensibilités encore assez mal connues en raison de la difficulté (voir de l’impossibilité) de caractériser la distribution des plus petites gouttes expérimentalement. Dans le cadre de la thèse de Felipe M. Mancio Reis, une formulation a été développée pour déterminer le rayon critique au-delà duquel une goutte est mise en mouvement naturellement sur une surface à gradient de mouillabilité.

Une telle configuration est intéressante en microgravité, les forces de tension de surface suppléants ainsi les forces de volume. La formulation proposée fait notamment apparaître explicitement l’hystérésis d’angle de contact. Une démonstration expérimentale a également été faite de l’aptitude de ce type de surface à gradient de mouillabilité à éviter la formation de film de condensation, et donc de maintenir un régime de condensation en gouttes nettement plus efficace thermiquement. Fort de cette caractérisation sur une goutte unique, un travail de modélisation à l’échelle d’une population entière de gouttes a été entrepris dans le cadre de la thèse de Jérémie Lethuillier.

L’approche développée est individu-centrée sur une population nécessairement assez modeste pour des raisons de temps de calcul. Les résultats permettent alors de proposer une revisite des modèles statistiques disponibles dans la littérature.

Boucle diphasique à pompage capillaire :

Les boucles à pompage capillaire sont des systèmes thermiques hautement performants (plusieurs kW et de densités de flux désormais supérieures à 100 W/cm2) ce qui en font des dispositifs de premier plan pour le développement des aéronefs plus électrique. Ces performances reposent sur une complexité faite de couplage non-linéaires alliant des écoulements de condensation et de la vaporisation dans un milieu poreux ce qui fait que la dynamique du système est en soit un objet de recherche.

Dans le cadre de la thèse de M. Levèque, il s’agit d’étudier l’opportunité de rajouter un élément actif (pompe mécanique) pour pallier les limites de pompage intrinsèques à la structure poreuse de l’évaporateur capillaire et révélées lors de sollicitations sévères (cycles de puissance de forte amplitude, démarrage à fort flux, accélération, …). Sur la base d’un banc de test développé lors de la période précédente, une boucle capillaire avec assistance mécanique a été testée. Au-delà de la démonstration des performances inédites, ce travail a permis de questionner en profondeur la modélisation de ces systèmes.

Les propositions expérimentales et théoriques formulées posent les bases du contrôle de la dynamique de ces systèmes. Par ailleurs, le travail de collaboration avec l’institut PPRIMES autour de la thèse de F. Accorinti a permis d’avancer dans la simulation de la dynamique lors du démarrage qui reste une phase délicate.

Electrohydrodynamique pour les systèmes diphasiques capillaires :

Il s’agit de mettre à profit les forces qui se développent dans un fluide diélectrique lorsqu’on applique un champ électrique de façon à étendre les capacités de pompage et/ou de contrôler et intensifier les transferts de chaleur dans des configurations en lien avec les systèmes diphasiques capillaires. Dans ce cadre, une première partie de la thèse de B. Blaineau a été une contribution à la compréhension de l’interaction entre une interface liquide-vapeur et un champ électrique.

Une étude expérimentale dans une configuration académique (deux électrodes planes et verticales) a permis de montrer que parmi l’ensemble des forces s’exerçant sur l’interface, la force diélectrophorétique est celle qui contrôle sa position et sa forme avec ou sans vaporisation. Ces résultats ont confirmé par ailleurs que le champ électrique peut être effectivement mis à profit pour une intensification des transferts de chaleur proches d’une paroi chauffée. Dans un deuxième volet, les travaux se sont concentrés sur la mise en mouvement d’un liquide en mettant à profit le régime de conduction.

Une étude expérimentale permettant d’étudier l’influence des différents paramètres (géométriques, nombre de modules) a été réalisée. Les résultats ont montré une faible reproductibilité du pompage suggérant une forte sensibilité des phénomènes aux régimes d’injection de charge.

Effet de la gravité sur la condensation convertie à faible vitesse massique :

L’objectif est de mieux comprendre et prédire les écoulements et les transferts qui s’établissent dans les condenseurs de systèmes diphasiques en particulier pour des faibles vitesses massiques (kg/m²/s). Ces données sont essentielles pour dimensionner les systèmes de régulation thermique terrestre ou spatiaux fonctionnant à faible débit.

Pour cela deux bancs originaux de mesures ont été développés. Un terrestre permettant la mesure simultanée des transferts de chaleur et des épaisseurs de film de condensation au sein d’un tube. Un dédié aux expériences en microgravité dans l’avion 0g de Novespace couplant également des mesures innovantes d’épaisseurs de film et de transferts de chaleur.

Deux campagnes de mesures en vols paraboliques de l’ESA ont été réalisées (juin 2015 et oct 2018) en collaboration avec les universités de Padoue et de Bruxelles. Une expérience sur l’ISS a également été dimensionnée et est en cours d’évaluation par l’ESA. Dans le cadre des collaborations des agences spatiales internationales sino-européennes (ESA, CMSA) nous sommes également impliqués dans les programmes de collaboration sur la condensation.

Micro-échangeur :

Il s’agit ici de créer un nouveau type d’échangeur pouvant s’insérer dans des boucles de refroidissement fluide existantes (capillaire, mécanique) afin de permettre le refroidissement de nombreux systèmes annexes de faible puissance ou de créer des systèmes de refroidissement peu énergivore. Dans le cadre du projet SOCOOL de l’IRT St Exupéry, un échangeur proposant un fort coefficient d’échange et des pertes de charges inférieures au kPa a été développé.

Le succès des résultats et des modèles obtenus a conduit au dépôt d’un brevet (avec extension internationale) et fait aujourd’hui l’objet d’un projet de maturation porté par TTT. Les performances de ce système sont régies par des transferts de chaleur s’opérant à des échelles micrométriques au voisinage de l’interface liquide-vapeur ouvrant ainsi de nouvelles perspectives de recherche académique.

INGENIERIE STATISTIQUE DE LA COMPLEXITE :

Au cours des quatre dernières années, nos activités relevant de la physique statistique du transport particulaire, de la morphogénèse auto-organisée, ou des simulations numériques de type Monte Carlo ont vu leur périmètre évoluer sensiblement et ont trouvé une nouvelle cohérence d’ensemble. Cette évolution a conduit à plusieurs évolutions structurelles, dont le montage de l’institut XSYS, le montage du GDR TAMARYS, la participation à la fédération FédEsol et la participation au GDR DEPHY, avec au premier plan de cette dynamique le montage de la plateforme EDStar et la création de l’entreprise Méso-Star.

Le contour scientifique de ces deux structures définit nos activités de recherche de façon fidèle, avec :• En ce qui concerne la plateforme, l’animation d’une recherche collective autour d’une ingénierie statistique de la complexité, au sein d’un réseau national ;• En ce qui concerne l’entreprise, l’arrivée dans nos murs de quatre ingénieurs de recherche de statut privé, consacrés à la poursuite de notre travail initié il y a 15 ans à l’interface entre recherche en physique énergétique et recherche en informatique graphique.Le démonstrateur de la plateforme EDStar, conçu et mis en œuvre sur la période 2017-2019 grâce à un financement régional (Contrat Laboratoire Entreprise, 300k€), illustre en détail cette évolution de nos activités. Nous n’en donnons ici qu’un résumé rapide en renvoyant vers les pages correspondantes. Un texte détaillé est disponible ici.

Le champ applicatif dans lequel nous définissons notre pratique est vaste (voir demo) alors que nous ne sommes que deux enseignant-chercheurs et quatre ingénieurs de recherche (auxquels s’ajoutent Mouna El Hafi de RAPSODEE et Jacques Gautrais du CRCA qui sont officiellement installés à temps partiel dans nos murs). Cette largeur fait sens car notre rôle scientifique est le même sur chacune des applications et que sa définition est étroite : nous intervenons comme des spécialistes de la reformulation statistique de problèmes initialement pensés en termes déterministes, de façon à :• Enrichir l’analyse du système à partir d’une lecture en statistique de chemins, très inspirée du travail de Feynamn et Kac, mais déclinée et enrichie en direction de la représentation de phénomènes couplés, souvent non-linéairement, tels que ceux que nous rencontrons dans le domaine énergétique ;• Adapter la formulation afin de permettre des simulations numériques de type Monte Carlo qui bénéficient directement des évolutions récentes de la recherche en informatique graphique (pour répondre aux besoins de l’industrie du cinéma et du jeu vidéo).

Pour la synthèse d’images dans l’industrie cinématographique, l’objectif du « Teapot in a stadium » est aujourd’hui atteint. Les outils de production industrielle d’images de synthèse physiquement réalistes permettent effectivement de rendre compte de la quasi-infinité des rapports d’échelles, e.g. entre la petite échelle des raffinements d’une théière de Chine, au premier plan, et la grande échelle des milliers de spectateurs dans un stade, des bâtiments à l’extérieur du stade, etc. Nous travaillons à reproduire ces succès dans le domaine énergétique, notamment avec des simulations thermiques par balayage de chemins qui sont structurellement insensibles à la largeur du modèle géométrique (son niveau de raffinement), ainsi qu’aux rapports entre les échelles temporelles (fluctuations des sources à haute fréquence, intégration sur des scénarios de fonctionnement de longue durée).

DONNEES DE BASE ET OUTILS DE MODELISATION POUR LES PLASMAS :

Depuis 2009 notre équipe porte un projet international d’échange de données de base pour la modélisation des plasmas froids, centré autour d’un site web nommé LXcat(ELECtron Scattering), avec une cinquantaine de collaborateurs de 15 pays différents (le « LXcat team »). Ce site web contient des compilations de sections efficaces électron-neutre pour différents gaz ainsi que d’autres données comme des coefficients de transport mesurés, potentiels d’interaction ion-neutre, etc, pour lesquelles il est devenu la source de référence de la communauté des plasmas froids. Comme précédemment, nous avons continué en 2014-2018 d’organiser des sessions spéciales LXcat à des conférences comme la GEC (Gaseous Electronics Conference).

Nous avons également pris un certain nombre de mesures pour assurer la pérennité de LXcat :• Fondation en 2015 de l’association DMP (Données pour la Modélisation des Plasmas) visant à collectionner des contributions financières volontaires de la communauté ;• Création en 2016 d’un « Tech team » de volontaires internationaux qui s’occupe désormais de la maintenance et le développement du site web + infrastructure informatique ;• Création de sites miroirs localisés dans d’autres laboratoires (Univ. Eindhoven).

En plus d’LXcat, nous sommes à l’origine de BOLSIG+, un logiciel freeware très utilisé par la communauté plasma internationale pour le calcul de coefficients de transport électronique à partir de l’équation de Boltzmann. Ces dernières années nous avons effectué d’importantes mises à jour de ce logiciel. Nous avons notamment revisité la théorie utilisée pour la prise en compte des collisions Coulombiennes, ce qui a abouti à une nouvelle contribution à la physique des plasmas fondamentale, et à une collaboration avec Z. Donko (Wigner Institute, Hongrie) autour de la validation de l’équation de Fokker-Planck pour les collisions électron-électron dans les plasmas partiellement ionisés.

Contacts : Gerjan Hagelaar, Leanne Pitchford

  1. BOLSIG+ : user-friendly solver for electron Boltzmann equation http://www.bolsig.laplace.univ-tlse.fr
  2. ZDPlasKin : Zero-Dimensional PLASma KINetics library http://www.zdplaskin.laplace.univ-tlse.fr
  3. LXcat : Electron Scattering Database http://www.lxcat.laplace.univ-tlse.fr

Téléchargements :

  1. BOLSIG+ : user-friendly solver for electron Boltzmann equation http://www.bolsig.laplace.univ-tlse.fr
  2. ZDPlasKin : Zero-Dimensional PLASma KINetics library http://www.zdplaskin.laplace.univ-tlse.fr
  3. LXcat : Electron Scattering Database http://www.lxcat.laplace.univ-tlse.fr
  4. Will Allis prize lecture : presented at the GEC/DPP meeting in Portland Oregon in november 2018 by Leanne Pitchford
Allis_2018_pitchford.pdf
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