Confinement micrométrique des décharges pulsées nanosecondes dans l'air à pression atmosphérique et effets électro-aérodynamiques PDF Download

Author: Thomas Orrière
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Les plasmas froids d'air à pression atmosphérique sont très utiles pour un grand nombre d'applications grâce à leur chimie hors-équilibre et leur souplesse d'utilisation. Leur intérêt réside dans la production de certaines espèces réactives ou chargées avec un coût énergétique plus avantageux que la chimie à l'équilibre. L'objectif de cette thèse est de combiner les décharges nanosecondes répétitives pulsées (NRP) avec une géométrie micrométrique. Par cette combinaison, nous souhaitons palier au chauffage excessif des étincelles qui génèrent pourtant des fortes densités d'espèces. Notre étude se concentre en trois points principaux. Dans un premier temps la phase de claquage est étudiée ; c'est pendant cette étape que l'énergie est déposée et que les espèces sont produites. La combinaison des diagnostics électriques et de spectroscopie d'émission optique montrent que l'air est presque complètement dissocié et ionisé. Ensuite, nous nous intéressons à la phase de recombinaison qui conditionne la durée de vie de ces espèces. Les résultats mettent en évidence une réaction à trois corps comme mécanisme de recombinaison principal. Et enfin, le dernier point concerne le transport des espèces vers un substrat conducteur. En lui appliquant une tension, celui-ci nous permet de générer un écoulement de vent ionique provenant de la décharge. L'écoulement est étudié par vélocimétrie d'images de particules et imagerie Schlieren. Ce travail a permis de démontrer la capacité des NRP micro-plasmas dans la production contrôlée d'espèces réactives et chargées, mais aussi dans leur transport vers une surface par panache électro-aérodynamique.

Author: Sébastien Célestin
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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 apporches ont été développées : pour le calcul de la photoionisation et pour la prise en compte d'électrodes de forme complexe dans des maiilages cartésiens.

Author: Frédéric Richard (illustrateur).)
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Languages : fr
Pages : 173

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LES ARCS GLISSANTS QUI SE DEPLACENT DANS UN ECOULEMENT DE GAZ ENTRE DEUX ELECTRODES PROFILEES EN FORME DE TUYERE PERMETTENT D'OBTENIR A LA PRESSION ATMOSPHERIQUE ET AUX PRESSIONS PLUS ELEVEES DES PLASMAS HORS EQUILIBRE CARACTERISES A LA FOIS PAR DE FORTES DENSITES ELECTRONIQUES (SUPERIEURES A 10#1#4 CM#-#3) ET DES CHAMPS ELECTRIQUES ELEVES DE L'ORDRE DE 10#4 V/M. CES DISPOSITIFS SONT INTERESSANTS ET PROMETTEURS POUR DE NOMBREUSES APPLICATIONS INDUSTRIELLES DANS LE DOMAINE DE LA PLASMA CHIMIE (DESTRUCTION DES COMPOSES ORGANIQUES VOLATILS (COV), DESULFURATION DES GAZ ET REDUCTION DE H#2S, VALORISATION DU METHANE, TRANSFORMATION DU PROTOXYDE D'AZOTE N#2O EN NO#X). CE TRAVAIL PORTE SUR L'ETUDE D'UNE TELLE DECHARGE ALIMENTEE A PARTIR D'UNE SOURCE ELECTRIQUE CONTINUE, DANS L'AIR A PRESSION ATMOSPHERIQUE. PLUSIEURS METHODES DE DIAGNOSTICS ONT ETE UTILISEES (PHOTOGRAPHIE RAPIDE AVEC UNE CAMERA DTC INTENSIFIEE, CAPTEURS OPTOELECTRONIQUES, MESURES ELECTRIQUES, SPECTROMETRIE MOLECULAIRE). LES RESULTATS OBTENUS ONT MONTRE QUE LE COMPORTEMENT DE CES DECHARGES PEUT ETRE DECRIT A L'AIDE DE MODELES RELATIVEMENT SIMPLES ET ONT PERMIS DE METTRE EN EVIDENCE LES DIFFERENTS PARAMETRES IMPORTANTS QUI CARACTERISENT LE FONCTIONNEMENT DU DISPOSITIF (DEBIT DE GAZ, TENSION, INTENSITE DU COURANT, DISTANCE MINIMALE DES ELECTRODES). L'ARC GLISSANT PEUT ETRE DECRIT COMME UN FIN CORDON DE PLASMA (DIAMETRE 1 MM) A HAUTE TEMPERATURE (6000 K), ENTOURE D'UNE GAINE PLASMAGENE A PLUS BASSE TEMPERATURE (3000 K) HORS EQUILIBRE ET CONTENANT DE NOMBREUSES ESPECES MOLECULAIRES EXCITEES. CELUI-CI SE DEPLACE ET S'ALLONGE SOUS L'EFFET DES FORCES D'ENTRAINEMENT EXERCEES PAR LE FLUX DE GAZ. UNE DIFFERENCE DE VITESSE IMPORTANTE ENTRE LE GAZ ET L'ARC GLISSANT PRODUIT UN REFROIDISSEMENT EFFICACE ET DEPLACE LE REGIME DE FONCTIONNEMENT DEPUIS LE REGIME D'ARC VERS UN REGIME DE DECHARGE LUMINESCENTE. LA TENSION AUX BORNES DE L'ARC AUGMENTE PROPORTIONNELLEMENT A SON ALLONGEMENT ET LA TENSION MAXIMALE ATTEINTE, CORRESPOND A LA TENSION DE CLAQUAGE AU COL DES ELECTRODES (TENSION DE PASCHEN) QUI PROVOQUE L'AMORCAGE D'UN NOUVEL ARC. CETTE ETUDE CONSTITUE UN PROGRES SIGNIFICATIF DANS LA CONNAISSANCE DES PHENOMENES PHYSIQUES ASSOCIES A L'ARC GLISSANT. CEPENDANT, LE DERNIER CHAPITRE DE CE TRAVAIL QUI EST CONSACRE A L'ETUDE DE LA FORMATION DE NO#X DANS L'ARC, REVELE L'AMPLEUR DU TRAVAIL RESTANT A ACCOMPLIR POUR MAITRISER PARFAITEMENT LES PHENOMENES PHYSICO-CHIMIQUES INTERVENANT DANS CE TYPE DE DECHARGE

Author: Christian Deniset
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Pages : 158

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Motivée par de nouvelles applications dans les sciences de l'environnement et le déclenchement de la combustion, l'étude des décharges haute pression est en plein essor. Ces décharges ont la propriété de pouvoir générer des plasmas dit " non thermiques ". Dans les plasmas non-thermiques la température des électrons est très supérieure à la températures des ions et des espèces neutres. Selon le but recherché, le contrôle de la valeur du champ électrique permet ainsi de favoriser la prédominance de certaines réactions chimiques ayant pour conséquence la disparition de certaines espèces jugées néfastes et l'apparition d'autres espèces moins nocives. Pour mener à bien ces études on utilise la modélisation. Le travail a consisté à modéliser radialement l'activité physico-chimie d'une décharge couronne en configuration pointe-plan, dans l'air à pression atmosphérique. L'objectif est d'identifier les processus réactionnels dominants ainsi que les paramètres qui les influencent. Les résultats de la modélisation confirment l'existence de l'expansion adiabatique au cœur de la décharge associée à la création d'une onde de pression, dès lors que le rayon du filament de décharge est égal à celui obtenu expérimentalement c'est à dire pris dans le domaine des dizaine de micromètres. Dans ce cas le confinement du courant de décharge entraîne une densité d'énergie déposée suffisante pour induire une expansion du milieu gazeux. D'un point de vue chimique, l'accroissement de la température du gaz et la baisse de densité du gaz au cœur de la décharge qui en résulte, modifie de façon substantielle les constantes d'Arrhenius gouvernant les réactions entre espèces lourdes et le rapport champ électrique sur densité E/N, qui défini l'activité de dissociation et d'excitation des électrons. Par ailleurs, la prise en compte du confinement des électrons par la charge d'espace positive existant à la surface du filament, induit un resserrement de l'activité dans la zone axiale ainsi qu'un accroissement de cette activité. On peut identifier trois phase dans les processus chimiques induits. Un choc rapide, du au passage du streamer. Une activité induite dans le filament de plasma sur quelques centaines de nanosecondes. Et enfin, une longue phase d'activité chimique, consécutive à la présence des radicaux et des espèces excitées laissés par les deux phases précédentes.

Author: Samira Kacem
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Les travaux de recherche sont consacrés à la modélisation électro-hydrodynamique des décharges couronne hors équilibre dans l'air en régime de breakdown streamer pour une configuration d'électrodes pointe positive-plan. Les modèles adoptés sont des modèles fluides bi-dimensionnels et les systèmes d'équations de transport sont discrétisés par la méthode des volumes finis explicite de type MUSCL. Le modèle de la dynamique des particules chargées (ou de dynamique des streamers) est un modèle d'ordre 1 s'arrêtant au premier moment de l'équation de Boltzmann et celui de la dynamique du gaz neutre générée par les décharges couronne est un modèle d'ordre 2 allant jusqu'à l'équation de conservation de l'énergie. Le modèle de la dynamique du streamer précédemment développé dans l'équipe a été optimisé en réduisant les temps de calcul du potentiel électrique de charge d'espace obtenu par la résolution de l'équation elliptique de Poisson. Ceci a été effectué à l'aide des techniques numériques Full Multigrid (FMG) et Multigrid (MG) dont les meilleures performances ont été comparées avec la méthode Successive Over relaxation (SOR) et la méthode MUMPS (MUltifrontal Massively Parallel Solver). Par couplage faible avec la dynamique de la décharge, la simulation de la dynamique du gaz neutre induite par le passage d'un streamer, dans des conditions de simulation proches des conditions de fonctionnement d'un réacteur expérimental de l'équipe, a permis de comprendre et d'analyser finement la génération et l'expansion des ondes de pression potentiellement utilisable comme actionneur plasma dans les micro-pompes

Author: Jérôme Jolibois
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Pages : 208

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La Décharge à Barrière Diélectrique (DBD) employée ici consiste en une décharge électrique établie dans l’air à pression atmosphérique à la surface d’un isolant. Cette décharge ionise l’air ambiant environnant, et les espèces chargées générées soumises à la force de Coulomb induisent, par transfert de quantité de mouvement, un écoulement appelé vent électrique. Récemment, la capacité de ce type de dispositif à contrôler un écoulement subsonique autour de profils aérodynamiques a été mise en évidence. La DBD employée dans ce sens est appelée actionneur plasma. Ces actionneurs peuvent modifier les écoulements de couche limite en proche paroi par l’intermédiaire du vent électrique. Le but de la thèse est d’améliorer les performances aérodynamiques d’une aile, soit en augmentant sa portance, soit en réduisant sa traînée ou bien encore en retardant le décrochage du profil. Le travail réalisé se divise en deux grandes parties. La première partie a consisté à développer puis optimiser une décharge à barrière diélectrique afin de mieux comprendre son fonctionnement. Pour cela, une étude paramétrique a été effectuée, en faisant varier les grandeurs électriques, physiques et géométriques. Des mesures électriques et mécaniques ont été réalisées, puis des grandeurs électromécaniques comme le rendement par exemple ont été estimées et comparées. Ces différentes études ont permis de définir un ensemble de paramètres permettant d’obtenir une DBD optimum en termes de génération de vent électrique et de fiabilité. La seconde partie a consisté à intégrer l’actionneur plasma optimisé sur un profil symétrique NACA 0015, et de tester son efficacité dans un écoulement d’air allant jusqu’à 40 m/s. Pour cela, des mesures Particle Image Velocimetry (PIV) de l’écoulement autour du profil et des pesées aérodynamiques ont été réalisées sans, puis avec contrôle. L’influence de différents paramètres (fréquence et intensité de l’excitation, mode en fonctionnement) a été étudiée. Il a été mis en évidence une modification de l’écoulement sous les effets du contrôle qui favorise soit le processus de recollement de la couche limite ou soit le décollement. L’efficacité des actions continue et instationnaire de l’actionneur a été comparée. Modulée par une fréquence adimensionnelle F+, le mode instationnaire présente des résultats équivalent voire supérieur au mode continu tout en réduisant la consommation spécifique de la DBD.

Author: Kossi Djidula Bayoda
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Cette thèse a pour but d'étudier une nouvelle décharge nanoseconde pulsée à barrière diélectrique basée sur 3 électrodes (SL-DBD pour « SLiding DBD » en anglais), de la comparer à la décharge nanoseconde conventionnelle utilisant 2 électrodes (NS-DBD), et d'évaluer sa capacité à être utilisée soit comme capteur de vitesse pariétale, soit comme actionneur électromécanique pour le contrôle d'écoulement. Dans la première partie, les propriétés électriques des deux décharges sont caractérisées, permettant ainsi d'identifier le paramètre électrique clé qui permet de passer d'un régime de décharge à un autre. Des visualisations par caméra intensifiée ont confirmé cette transition lorsque le champ électrique moyen devient supérieur à 6.5 kV/cm. Des diagnostiques mécaniques (Schlieren et mesures de pression) ont permis de caractériser précisément l'onde de pression générée par les deux décharges.Ensuite, l'influence d'un écoulement sur le comportement électrique de la SL-DBD a été étudiée, mettant en évidence que le courant « collecté » par l'électrode (3) était à peu près proportionnel à la vitesse de l'écoulement en proche paroi. Même s'il reste encore de nombreux points à vérifier, ce résultat encourageant permet d'envisager l'utilisation de la SL-DBD comme capteur de vitesse et/ou de frottement pariétal.Enfin, la troisième partie est consacrée à l'effet de la SL-DBD sur des écoulements aérodynamiques, dans le but de les manipuler. Plusieurs configurations ont été étudiées (profil d'aile, marche descendante, plaque plane) et les résultats ont permis de montrer la complexité des phénomènes physiques à l'origine du contrôle, sans pour autant pouvoir totalement les expliquer.

Author: Pierre Le Delliou
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Ce travail porte sur l'étude de la propagation de décharges couronnes impulsionnelles à pression atmosphérique dans les milieux poreux et/ou alvéolaires. Face à la complexité des phénomènes mis en jeu, liés aux interactions entre la décharge et les surfaces du matériau qui la confine, nous proposons l'étude de décharges confinées par des structures élémentaires. L'étude du confinement radial des décharges, assuré par un large panel de capillaires, a été réalisée. Des diagnostics électriques et optiques de pointe permettent d'étudier la propagation de la décharge au sein des différents capillaires. La corrélation entre ces diagnostics a même permis des mesures de vitesse de propagation au sein de capillaires opaques. Les résultats montrent que la propagation de la décharge dépend grandement de la géométrie des capillaires et des paramètres électriques de génération de la décharge. Dans le cas de sections carrées ou rectangulaires, les arêtes induisent un renforcement local du champ qui attire la décharge. Dans le cas de capillaires cylindriques, le diamètre interne est le paramètre crucial qui détermine aussi bien la structure de la décharge que sa vitesse de propagation. Quelle que soit la nature du capillaire, la propagation présente alors une vitesse optimale à tout autre paramètre constant pour une valeur donnée du diamètre interne. Dans le cas du verre, la vitesse est maximale pour un diamètre interne de 200 μm. L'épaisseur et la permittivité diélectrique du capillaire possèdent également une influence sur la propagation de la décharge radialement confinée. Ainsi, diminuer l'épaisseur ou la permittivité diélectrique engendre une accélération de la décharge. Si l'épaisseur est très faible, la décharge peut même se déconfiner pour se propager à l'extérieur du capillaire. Une étude spectroscopique complémentaire montre que la réduction du diamètre de confinement implique une augmentation de la température du plasma, ce qui pourrait contribuer à l'obtention de ce profil de vitesse en fonction du diamètre de confinement. L'étude du confinement axial des décharges a ensuite été réalisée en insérant des membranes de différentes natures et caractéristiques, perpendiculairement à l'axe pointe plan. Les résultats montrent que la décharge présente une propagation en trois étapes : pointe/membrane, radialement au voisinage de la membrane, puis membrane/plan. Dans cette étude, nous avons mis en évidence l'importance du critère poreux ou non de la membrane. Dans le cas poreux, la propagation de la décharge dans l'ensemble du gap est continue, même pour des pores de l'ordre de la dizaine de μm. Dans le cas non poreux, la propagation est discontinue, et il est nécessaire pour assurer la propagation dans l'ensemble du gap qu'un ré-allumage ait lieu de l'autre côté de la membrane. Après l'instant de l'impact sur la membrane, la décharge marque un arrêt qui correspond à la réorganisation des charges et à la restructuration du champ électrique dans le gap. Elle se propage ensuite radialement au voisinage de la membrane en plusieurs fronts d'ionisation. Si les conditions de claquage sont réunies dans le volume membrane/plan, alors un ré-allumage apparaît à partir de la membrane pour atteindre le plan. L'étude de ces ré-allumages semble montrer l'importance de la position de la membrane au sein de l'espace inter-électrodes et de la dynamique des charges aux surfaces de la membrane. Plus on diminue la distance membrane/plan, plus il est facile d'en observer. Nous montrons également que la diminution de la permittivité diélectrique de la membrane ou l'augmentation de son épaisseur, semble augmenter la probabilité de ces ré-allumages. Dans le cas poreux, nous avons également mis en évidence l'influence de la taille des pores de la membrane sur l'ensemble des étapes de propagation. Lorsque la porosité est inférieure à 100 μm la propagation de la décharge est ralentie du fait de la difficulté de la décharge à traverser directement le matériau.

Author: Xavier Landreau
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Pages : 158

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Un procédé de dépôt CVD à l’air libre, utilisant une torche micro-onde à injection axiale (TIA), a été développé pour le dépôt de films organosiliciés sur substrats de silicium monocristallins. Les effets et interactions de plusieurs paramètres de réglages de la TIA sur les propriétés physico-chimiques des films ont été déterminés par la mise en oeuvre d’un plan d’expériences de Rechtschaffner. L’analyse des résultats a permis d’établir des modèles expérimentaux ou « fonctions de transfert » liant les variables de dépôt aux propriétés des films. Suite aux analyses mathématique, graphique puis statistique des résultats du plan, complétées par la vérification expérimentale des modèles, plusieurs points d’intérêt particuliers – interactions, corrélation inter-réponses – ont été discutés. Les résultats dégagés ont mis en exergue une influence considérable de la température de surface du substrat. Par la suite, l’effet de cette température de surface sur les propriétés structurales et microstructurales des dépôts a été étudié. Pour ce faire, une analyse minutieuse des bandes associées aux vibrations des liaisons Si-O et –OH a été mis en oeuvre, notamment par un travail de décomposition spectral de FTIR. Ainsi, des informations sur l’organisation atomique dans le volume du matériau, notamment sur la conformation des liaisons Si-O-Si (angle et disparité angulaire) et sur la stoechiométrie ont été extraites. A plus grande échelle, des indications sur la densité, la porosité, et les contraintes au sein des films ont également été obtenues. Les résultats rapportés ont été utilisés pour expliciter les mécanismes de croissance du matériau. La caractérisation du jet plasma par spectroscopie d’émission optique a permis d’extraire des températures de gaz et d’appuyer les hypothèses émises. Enfin, la construction d’un nanocapteur à lecture en fluorescence à partir de nanostructures siliciées auto-organisées sur des substrats de Si(100) et Si(100)/Pt patternés par nanoindentation puis fonctionnalisées par chimie-click a été initiée.

Author: M. Capitelli
Publisher: Springer Science & Business Media
ISBN: 3662041588
Category : Science
Languages : en
Pages : 302

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Emphasis is placed on the analysis of translational, rotational, vibrational and electronically excited state kinetics, coupled to the electron Boltzmann equation.