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Performing high-fidelity plasma simulations remains computationally expensive because of their large dimension and complex chemistry. Atmospheric re-entry plasmas for instance, involve hundreds of species in thousands of reactions used in detailed physical models. These models are very complex as they describe the non-equilibrium phenomena due to finite-rate processes in the flow. Chemical non-equilibrium arises because of the many dissociation, ionization and excitation reaction at various time-scales. Vibrational, rotational, electronic and translational temperatures characterize the flow and exchange energy between species, which leads to thermal non-equilibrium.With the current computational resources, detailed three-dimensional simulations are still out of reach. Detailed calculations using the full dynamics are often restricted to a zero- or one-dimensional description. A trade-off has to be made between the level of accuracy of the model and its computational cost. This thesis presents various methods to develop accurate reduced kinetic models for plasma flows. Starting from detailed chemistry, high-fidelity reductions are achieved through the application of either physics-based techniques, such as presented by the binning methods and time-scale based reductions, either empirical techniques given by principal component analysis. As an original contribution to the existing methods, the physics-based techniques are combined with principal component analysis uniting both communities. The different techniques are trained on a 34 species collisional-radiative model for argon plasma by comparing shock relaxation simulations.The best performing method is applied on the large N-N2 mechanism containing 9391 species and 23 million reactions calculated by the NASA Ames Research Center. As a preliminary step, the system dynamics is analyzed to improve our understanding of the various processes occurring in plasma flows. The reactions are analyzed and classified according to their importance. A deep investigation of the kinetics enables finding the main variables and parameters characterizing the plasma, which can thereafter be used to develop or improve existing reductions.As a result, a novel coarse grain model has been developed for argon by binning the electronic excited levels and the ionized species into 2 Boltzmann averaged energy bins. The ground state is solved individually together with the free electrons, reducing the species mass conservation equations from 34 to 4. Principal component analysis has been transferred from the combustion community to plasma flows by investigating the Manifold-Generated and Score-PCA techniques. PCA identifies low dimensional manifolds empirically, projecting the full kinetics to its base of principal components. A novel approach combines the binning techniques with PCA, finding an optimized model for reducing the N3 rovibrational collisional model., Doctorat en Sciences de l'ingénieur et technologie, info:eu-repo/semantics/nonPublished

A Cartesian-coordinate two-dimensional electrostatic Particle-in-cell/Monte-Carlo Collision (PIC/MCC) plasma simulation code is presented, including a new treatment of charge balance at dielectric boundaries. It is used to simulate an Ar plasma in a symmetric radiofrequency capacitively-coupled parallel-plate reactor with a thick dielectric side-wall. The dielectric side-wall effectively shields the plasma from the enhanced electric field at the powered-grounded electrode junction, which has previously been shown to produce locally enhanced plasma density. Nevertheless, enhanced electron heating is observed in a region adjacent to the dielectric boundary, leading to maxima in ionization rate, plasma density and ion flux to the electrodes in this region. The electron heating components are derived from the PIC/MCC simulations and show that this enhanced electron heating results from increased Ohmic heating in the axial direction as the electron density decreases towards the side-wall. We investigated the validity of different analytical formulas to estimate the Ohmic heating by comparing them to the PIC results. The x component electron heating near the corners was observed at higher driving frequency, which is caused by a significant RF oscillating field in the x direction., Un code de simulation de plasma à deux dimensions électrostatique à coordonnées cartésiennes Particle-in-cell/ Monte Carlo Collision (PIC/MCC) est présenté, incluant un nouveau traitement de l'équilibre des charges aux limites diélectriques. Il est utilisé pour simuler un plasma dans le gaz Ar dans un réacteur à plaques parallèles à couplage capacitif à radiofréquence a géométrie symétrique avec une paroi latérale diélectrique épaisse. La paroi latérale diélectrique protège efficacement le plasma du champ électrique augmenté au niveau de la jonction entre l'électrode alimentée et l'électrode à la masse, dont on a montré précédemment qu'elle produisait une augmentation localise de la densité de plasma. Néanmoins, un réchauffement accru des électrons est observé dans une région adjacente à la limite diélectrique, conduisant à des maxima de le taux d'ionisation, de la densité du plasma et du flux ionique vers les électrodes dans cette région. Les différents composants du chauffage électronique sont dérivés des simulations PIC/MCC et montrent que cette augmentation du chauffage électronique provient d'un chauffage ohmique accru dans la direction axiale lorsque la densité électronique diminue vers la paroi latérale. Nous avons étudié la validité de différentes formules analytiques pour estimer le chauffage ohmique en les comparant aux résultats PIC. Le chauffage des électrons à composantes x a proximité des coins a été observé aux fréquences d'excitation plus élevées, provenant d'un champ RF oscillant important dans la direction x.

In this Ph.D. thesis we contribute to several aspects of research on streamer physics in air at atmospheric pressure through both experimental and numerical studies. We show that studying transient phenomena such as streamer discharges, whose timescales are very short compared to the operating times in applications, results in useful informations concerning their underlying physical mechanisms. The classical integral model for photoionization generated by streamers in air is very time consuming. In this work we have developed three differential approaches: a three- exponential Helmholtz model, a three-group Eddington model, and a three-group improved Eddington (SP3 ) model. The Helmholtz model is based on approximating the absorption function of the gas in order to transform the integral expression of the photoionization term into a set of Helmholtz differential equations. The Eddington and SP3 methods are based on the direct numerical solution of an approximation of the radiative transfer equation. Finally, we have derived accurate definitions of boundary conditions for these differential models. To take into account the electrode shapes in the simulations, we have adapted the Ghost Fluid Method to solve Poisson's equation in order to calculate the electric potential and field close to the electrode accurately. This method allows us to take into account the influence of the exact shape of the electrodes in the framework of finite volume methods using a regular grid, no matter how the electrode surfaces cross the grid. We use this method in simulations of streamer discharges generated by Nanosecond Repetitively Pulses (NRP) and in Dielectric Barrier Discharges (DBD), both of which involve needle-shaped electrodes. We have carried out simulations in a point-to-point geometry closely linked with recent experimental works in pre-heated air discharges generated by NRP. We found out that by considering the propagation timescales of streamers in these configurations, it is possible to draw some conclusions about the final discharge structure (i.e., sparks or coronas discharges) which are in good agreement with the experiments. In the experimental part of this work, we have studied a particular behavior of plasma filaments in a DBD during the positive half-cycle of the applied voltage. The dynamics of discharges is found to be greatly affected by the surface charge deposited upon the dielectric material. We have simulated a point-to-plane configuration, with a dielectric upon the plane cathode, in order to better understand the influence of the surface charge accumulation on successive discharges in a DBD. In this work we are able to simulate the propagation of the streamer from its ignition close to the anode up to the dielectric material, as well as its splitting into surface discharges upon reaching the dielectric. This simulation provides information on the timescales and processes responsible for plasma filament screening and ignition conditions of successive discharges, which are in agreement with experiment., Dans cette thèse, nous avons étudié d'un point de vue expérimental et numérique la dynamique et la structure des décharges de type streamer dans l'air à la pression atmosphérique. Deux configurations ont été étudiées: une décharge Nanoseconde Répétitive Pulsée (NRP) entre deux pointes dans l'air préchauffé et une Décharge à Barrière Diélectrique (DBD) dans une configuration pointe-plan. Nous avons montré que les simulations de la dynamique de ces décharges sur des temps courts permettent d'obtenir des informations sur la structure et les propriétés de ces décharges observées expérimentalement, généralement sur des temps plus longs. Dans le cadre de cette thèse, du point de vue de la simulation des décharges, deux nouvelles approches ont été développées: pour le calcul de la photoionisation et pour la prise en compte d'électrodes de forme complexe dans des maillages cartésiens. Pour le calcul de la photoionisation dans l'air, le modèle intégral de référence requiert de longs temps de calcul. Dans ce travail, afin d'éviter de lourds calculs intégraux, nous avons développé plusieurs modèles différentiels qui permettent de prendre en compte la dépendance spectrale de la photoionisation, tout en restant simples et peu coûteux en temps de calcul. Parmi les modèles développés, nous avons montré que le modèle appelé SP3 3-groupes basé sur une approximation d'ordre 3 de l'équation de transfert radiatif était plus précis pour la simulation des streamers. Afin de prendre en compte des électrodes de forme complexe dans les simulations, nous avons adapté une méthode GFM (“Ghost Fluid Method”) pour résoudre l'équation de Poisson afin de calculer précisément le potentiel et le champ électrique près de l'électrode. Cette méthode nous permet de prendre en compte l'influence de la forme exacte de l'électrode dans un maillage régulier, et ce quelque soit la forme de l'électrode. Nous avons réalisé des simulations en géométrie pointe-pointe étroitement liées à de récents travaux expérimentaux concernant des décharges générées par NRP dans de l'air préchauffé. Nous avons étudié la dynamique de la décharge dans l'espace inter-électrode pour différentes températures de l'air et différentes tensions appliquées. Nous avons montré que la structure de la décharge dépendait fortement de la tension appliquée, ce qui est en bon accord avec les expériences. Dans la partie expérimentale de ce travail, nous avons étudié un comportement particulier des filaments de plasma dans une DBD pendant la demi-alternance positive de la tension appliquée. La dynamique des décharges est fortement affectée par la charge de surface déposée sur le diélectrique. Nous avons simulé une configuration pointe-plan avec un diélectrique plan sur la cathode dans le but de mieux comprendre l'influence de l'accumulation de la charge de surface sur l'allumage et la propagation de décharges successives dans une DBD. Dans ce travail, nous avons simulé la propagation d'un streamer initié près de l'anode jusqu'au diélectrique, ainsi que la formation d'une décharge de surface sur celui-ci. Nous avons ainsi déterminé les échelles de temps et les processus responsables de l'écrantage d'un filament de plasma et les conditions d'allumage des décharges successives. Les résultats obtenus sont en bon accord avec l'expérience.

International audience; A nonlinear collisional-radiative model for atomic nitrogen has been developed in order to determine effective recombination and associated ionization coefficients for either optically thin or optically thick plasmas where 10 18 m Ϫ3 рn e р10 21 m Ϫ3 and 2000 KрT e р12 000 K. A time-dependent approach confirms the importance of the quasi-steady-state condition to derive meaningful rate coefficients. In order to implement these coefficients in plasma flow codes, simple analytical expressions are proposed. Significant discrepancies with existing literature values are pointed out and discussed. In recombining conditions, the relaxation time necessary to reach the quasi-steady-state is calculated, and depends on the electron number density and on the electron temperature. This time limits the validity of the recombination coefficient, especially in optically thick cases. Finally, for practical applications, the number of levels in Saha-Boltzmann equilibrium at the quasi-steady-state is also examined. ͓S1063-651X͑96͒09908-4͔ PACS number͑s͒: 52.25.Jm, 34.10.ϩx

Accurate prediction of hypersonic high-enthalpy flows is of main relevance for atmospheric entry missions. However, uncertainties are inevitable on freestream conditions and other parameters of the physico-chemical models. For this reason, a rigorous quantification of the effect of uncertainties is mandatory to assess the robustness and predictivity of numerical simulations. Furthermore, a proper reconstruction of uncertain parameters from in-flight measurements can help reducing the level of uncertainties of the output. In this work, we will use a statistical framework for direct propagation of uncertainties and inverse freestream reconstruction applied to atmospheric entry flows. We propose an assessment of the possibility of exploiting forebody heat flux measurements for the reconstruction of freestream variables and uncertain parameters of the model for hypersonic entry flows. This reconstruction is performed in a Bayesian framework, allowing to account for sources of uncertainties and measurement errors. Different techniques are introduced to enhance the capabilities of the statistical framework for quantification of uncertainties. First, an improved surrogate modeling technique is proposed, based on Kriging and Sparse Polynomial Dimensional Decomposition. Then a method is proposed to adaptively add new training points to an existing experimental design to improve the accuracy of the trained surrogate model. A way to exploit active subspaces in Markov Chain Monte Carlo algorithms for Bayesian inverse problems is also proposed.; Une prédiction fidèle des écoulements hypersoniques à haute enthalpie est capitale pour les missions d'entrée atmosphérique. Cependant, la présence d'incertitudes est inévitable, sur les conditions de l'écoulement libre comme sur d'autres paramètres des modèles physico-chimiques. Pour cette raison, une quantification rigoureuse de l'effet de ces incertitudes est obligatoire pour évaluer la robustesse et la prédictivité des simulations numériques. De plus, une reconstruction correcte des paramètres incertains à partir des mesures en vol peut aider à réduire le niveau d'incertitude sur les sorties. Dans ce travail, nous utilisons un cadre statistique pour la propagation directe des incertitudes ainsi que pour la reconstruction inverse des conditions de l'écoulement libre dans le cas d'écoulements de rentrée atmosphérique. La possibilité d'exploiter les mesures de flux thermique au nez du véhicule pour la reconstruction des variables de l'écoulement libre et des paramètres incertains du modèle est évaluée pour les écoulements de rentrée hypersoniques. Cette reconstruction est réalisée dans un cadre bayésien, permettant la prise en compte des différentes sources d'incertitudes et des erreurs de mesure. Différentes techniques sont introduites pour améliorer les capacités de la stratégie statistique de quantification des incertitudes. Premièrement, une approche est proposée pour la génération d'un métamodèle amélioré, basée sur le couplage de Kriging et Sparse Polynomial Dimensional Decomposition. Ensuite, une méthode d'ajoute adaptatif de nouveaux points à un plan d'expériences existant est présentée dans le but d'améliorer la précision du métamodèle créé. Enfin, une manière d'exploiter les sous-espaces actifs dans les algorithmes de Markov Chain Monte Carlo pour les problèmes inverses bayésiens est également exposée.