Etude du couplage entre plasma et écoulement dans des jets de plasma froid à pression atmosphérique // Study of the coupling between plasma and flow in cold plasma jets at atmospheric pressure

Les jets de plasma froid à pression atmosphérique sont des dispositifs offrant une grande diversité d'applications : biomédicales [1],[2], traitements de surfaces et synthèses de nanomatériaux [3],[4]. Cette diversité d'applications repose essentiellement sur leur capacité à pouvoir propager du plasma à distance de la zone de génération inter-électrodes et à produire, par voies hors équilibre thermodynamique, une grande variété d'espèces réactives. La simplicité de conception de ces dispositifs contraste avec la complexité des phénomènes physiques mis en jeux. Le plasma se propage selon un mécanisme d'onde d'ionisation. Le front concentre une densité importante d'électrons (entre 1013 et 1014 cm-3) chauds (quelques 104 K) avec un fort champ électrique local de charge d'espace (quelques 10 kV/cm), sur des diamètres typiques de quelques centaines de microns. Il peut ainsi se propager à distance de la zone de génération inter-électrode (jusqu'à quelques dizaines de centimètres) à des vitesses de l'ordre de 106-107 cm/s et laisse dans son sillage une colonne plasma conductrice. Les espèces réactives se forment dans la partie du jet se mélangeant à l'air environnant, à température ambiante. La détermination expérimentale des paramètres physiques liés (densité électronique, champ électrique, densité des espèces réactives) reste difficile, puisque les mesures doivent allier bonnes résolutions spatiale et temporelle tout en étant non intrusives. Les diagnostics optiques (spectroscopie d'émission et d'absorption [5],[6],[7],[8],[9], diffusion Thomson [10]) sont des outil privilégiés.
A cela s'ajoute une strate de difficulté supplémentaire. En effet, nous avons montré que l'initiation du plasma n'est pas sans influence sur la structure de l'écoulement [11]. La génération d'une seule décharge est suffisante pour faire éclater la zone laminaire du jet et entraver la propagation des décharges suivantes, jusqu'à ce que la perturbation soit évacuée par l'écoulement. La question des effets mémoires entre chaque impulsion de tension n'est donc plus uniquement réduite aux charges électriques déposées sur la paroi du capillaire, mais s'élargie donc aussi à la relaxation mécanique de l'écoulement, après le claquage ultra-rapide de la décharge. Ce couplage s'opère donc à travers 6 ordres de grandeurs (de la nanoseconde à la milliseconde). Lorsque les décharges sont générées de façon répétitives, nous avons déjà observé que pour certains couples débit-fréquence, l'écoulement est fortement affecté. Le plasma présente alors des régularités spatiales stationnaires, avec des motifs hélicoïdaux stables. Le contrôle de l'écoulement est un véritable défi de compréhension fondamentale avec des retombés applicatives fortes, puisque le degré de mélange entre le gaz rare et l'air ambiant influence directement la production des espèces réactives.
Ce couplage entre plasma et écoulement présente des analogies avec ce qui est décrit dans la communauté du contrôle d'écoulement par décharge à barrière diélectrique de surface. Dans la communauté des jets de plasma froid, devoir « accorder » plasma et écoulement apporte un éclairage nouveau et amène à repenser la façon dont nous devons aborder les diagnostics, en lien avec les instabilités hydrodynamiques forcées par l'initiation du plasma. De nombreux points restent à étudier expérimentalement, notamment la mesure des paramètres clés du plasma au niveau des zones perturbées, tenant compte des spécificités de la géométrie d'injection du gaz. La thèse récemment soutenue [12] a permis de développer en collaboration un premier modèle numérique sur cet interaction plasma-écoulement. Ce socle commun collaboratif permettra d'affiner notre compréhension des phénomènes mis en jeux par de futurs travaux, entre les modèles numériques développés à l'IPFN (IST Lisbonne) et les diagnostics expérimentaux au LPGP.
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Cold plasma jets at atmospheric pressure are devices offering a wide range of applications: biomedical [1],[2], surface treatments and nanomaterial synthesis [3],[4]. This diversity of applications is primarily based on their ability to propagate plasma away from the inter-electrode generation zone and to produce a wide variety of reactive species through non-equilibrium thermodynamic processes. The simplicity of their design contrasts with the complexity of the physical phenomena involved.
Plasma propagates via an ionization wave mechanism. The front of this wave concentrates a high density of hot electrons (between 10¹³ and 10¹⁴ cm⁻³) with temperatures of a few 10⁴ K and a strong local space-charge electric field (a few tens of kV/cm) over a typical diameter of a few hundred microns. As a result, it can propagate away from the inter-electrode generation zone (up to a few tens of centimeters) at speeds on the order of 10⁶–10⁷ cm/s, leaving behind a conductive plasma column. Reactive species are formed in the region of the jet that mixes with the surrounding air at ambient temperature. Experimentally determining the associated physical parameters (electron density, electric field, and reactive species density) remains challenging, as measurements must combine good spatial and temporal resolution while being non-intrusive. Optical diagnostics (emission and absorption spectroscopy [5],[6],[7],[8],[9], Thomson scattering [10]) are preferred tools for these investigations.
An additional layer of complexity arises from the fact that plasma initiation influences the flow structure [11]. The generation of a single discharge is sufficient to disrupt the laminar region of the jet and hinder the propagation of subsequent discharges until the perturbation is carried away by the flow. Thus, memory effects between successive voltage pulses are no longer solely limited to the electric charges deposited on the capillary wall; they also extend to the mechanical relaxation of the flow following the ultrafast breakdown of the discharge. This coupling spans six orders of magnitude in time (from nanoseconds to milliseconds). When discharges are generated repetitively, we have observed that for certain flow rate–frequency pairs, the flow is significantly affected. The plasma then exhibits stationary spatial regularities, with stable helical patterns. Understanding and controlling the flow is a major fundamental challenge with strong applied implications, as the degree of mixing between the rare gas and ambient air directly influences the production of reactive species.
This coupling between plasma and flow has analogies with what is described in the field of flow control by surface dielectric barrier discharge. In the cold plasma jet research community, the need to 'tune' the plasma and the flow provides new insight and leads to a reconsideration of how diagnostics should be approached, in relation to the hydrodynamic instabilities induced by plasma initiation. Many aspects still need to be studied experimentally, particularly the measurement of key plasma parameters in disturbed regions, taking into account the specificities of the gas injection geometry. The recently defended thesis [12] has enabled the collaborative development of an initial numerical model of plasma-flow interaction. This collaborative foundation will allow for a refined understanding of the underlying phenomena in future work, combining numerical models developed at IPFN (IST Lisbon) with experimental diagnostics at LPGP.
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Début de la thèse : 01/10/2025

Contrats ED : Programme blanc GS-Physique

Université Paris-Saclay GS Physique

572 Ondes et Matière

Niveau Master 2 dans le domaine de la physique des plasmas. Fort intérêt pour la physique expérimentale. Des connaissances de base en mécanique des fluides et en traitement d'images seront appréciées. Une bonne maîtrise de l'anglais parlé et écrit est essentielle.
Master's level (M2) in the field of plasma physics. Strong interest in experimental physics. Basic knowledge of fluid mechanics and image processing would be appreciated. A good command of spoken and written English is essential.