ETUDE DES ECARTS A L'EQUILIBRE RADIATIF ET THERMIQUE DANS LES PLASMAS AIR ET AIR-SODIUM. APPLICATION AU DIAGNOSTIC SPECTROSCOPIQUE PDF Download
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Author: Philippe Teulet Publisher: ISBN: Category : Languages : fr Pages : 215
Book Description
DES MODELES COLLISIONNELS-RADIATIFS (CR) SONT UTILISES POUR ETUDIER LE COMPORTEMENT DE PLASMAS QUASI-THERMIQUES, HOMOGENES ET STATIONNAIRES DE MELANGES D'AZOTE, D'OXYGENE, D'ARGON ET DE SODIUM AUX PRESSIONS DE 1 ET 0,1 ATMOSPHERES, POUR DES TEMPERATURES COMPRISES ENTRE 1500 K ET 15000 K. DANS LA PREMIERE PARTIE, UNE METHODE DE CALCUL DES SECTIONS EFFICACES ET DES TAUX DE REACTION DES PROCESSUS COLLISIONNELS INELASTIQUES ELECTRON-LOURD (EXCITATION, IONISATION ET DISSOCIATION) ENTRE ETATS ELECTRONIQUES MOLECULAIRES EXCITES EST PRESENTEE. LES TAUX DES COLLISIONS INELASTIQUES ENTRE PARTICULES LOURDES DISPONIBLES DANS LA LITTERATURE SONT EGALEMENT COMPILES. LA COMPOSITION DES DIFFERENTS MELANGES AZOTE-OXYGENE-ARGON-SODIUM EST COMPAREE A CELLE D'UN PLASMA EN EQUILIBRE THERMODYNAMIQUE LOCAL (ETL). L'INFLUENCE DU RAYONNEMENT ET LE CAS DE MILIEUX DITHERMES (TEMPERATURE DES ELECTRONS DIFFERENTE DE CELLE DES PARTICULES LOURDES) SONT ANALYSES. LES SYSTEMES RADIATIFS MOLECULAIRES ADAPTES AU DIAGNOSTIC DES PLASMAS QUASI THERMIQUES D'AIR SONT MIS EN EVIDENCE. LA SIGNIFICATION DES TEMPERATURES D'EXCITATION OBTENUES PAR EMISSION OPTIQUE EST PRECISEE SELON LE DOMAINE DE TEMPERATURE. DES ECARTS A L'ETL IMPORTANTS SONT NOTES SUR LES DENSITES DES ETATS ATOMIQUES EXCITES. LA TROISIEME ETAPE DE CE TRAVAIL EST CONSACREE A DIFFERENTES APPLICATIONS : _ DETERMINATION DU PROFIL RADIAL DE LA TEMPERATURE D'EXCITATION D'UNE DECHARGE RADIO-FREQUENCE FONCTIONNANT DANS L'AIR AMBIANT A PARTIR DES MESURES D'EMISSIVITES DES BANDES OH(AX) (0,0) ET NO(AX) (0,1). _ COUPLAGE DU MODELE CR DE PLASMA D'AZOTE AVEC UN CODE AEROTHERMODYNAMIQUE DEDIE A L'ETUDE DES PLASMAS GENERES PAR ONDE DE CHOC LORS DES PHASES DE RENTREE ATMOSPHERIQUE D'ENGINS SPATIAUX. LE DIAGNOSTIC DE CE TYPE DE PLASMA EN COMPLET DESEQUILIBRE THERMOCHIMIQUE EST REALISE A PARTIR DE LA SIMULATION DES SPECTRES MOLECULAIRES DES SYSTEMES N#2#+ (PREMIER NEGATIF) ET N#2 (SECOND POSITIF).
Author: Philippe Teulet Publisher: ISBN: Category : Languages : fr Pages : 215
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DES MODELES COLLISIONNELS-RADIATIFS (CR) SONT UTILISES POUR ETUDIER LE COMPORTEMENT DE PLASMAS QUASI-THERMIQUES, HOMOGENES ET STATIONNAIRES DE MELANGES D'AZOTE, D'OXYGENE, D'ARGON ET DE SODIUM AUX PRESSIONS DE 1 ET 0,1 ATMOSPHERES, POUR DES TEMPERATURES COMPRISES ENTRE 1500 K ET 15000 K. DANS LA PREMIERE PARTIE, UNE METHODE DE CALCUL DES SECTIONS EFFICACES ET DES TAUX DE REACTION DES PROCESSUS COLLISIONNELS INELASTIQUES ELECTRON-LOURD (EXCITATION, IONISATION ET DISSOCIATION) ENTRE ETATS ELECTRONIQUES MOLECULAIRES EXCITES EST PRESENTEE. LES TAUX DES COLLISIONS INELASTIQUES ENTRE PARTICULES LOURDES DISPONIBLES DANS LA LITTERATURE SONT EGALEMENT COMPILES. LA COMPOSITION DES DIFFERENTS MELANGES AZOTE-OXYGENE-ARGON-SODIUM EST COMPAREE A CELLE D'UN PLASMA EN EQUILIBRE THERMODYNAMIQUE LOCAL (ETL). L'INFLUENCE DU RAYONNEMENT ET LE CAS DE MILIEUX DITHERMES (TEMPERATURE DES ELECTRONS DIFFERENTE DE CELLE DES PARTICULES LOURDES) SONT ANALYSES. LES SYSTEMES RADIATIFS MOLECULAIRES ADAPTES AU DIAGNOSTIC DES PLASMAS QUASI THERMIQUES D'AIR SONT MIS EN EVIDENCE. LA SIGNIFICATION DES TEMPERATURES D'EXCITATION OBTENUES PAR EMISSION OPTIQUE EST PRECISEE SELON LE DOMAINE DE TEMPERATURE. DES ECARTS A L'ETL IMPORTANTS SONT NOTES SUR LES DENSITES DES ETATS ATOMIQUES EXCITES. LA TROISIEME ETAPE DE CE TRAVAIL EST CONSACREE A DIFFERENTES APPLICATIONS : _ DETERMINATION DU PROFIL RADIAL DE LA TEMPERATURE D'EXCITATION D'UNE DECHARGE RADIO-FREQUENCE FONCTIONNANT DANS L'AIR AMBIANT A PARTIR DES MESURES D'EMISSIVITES DES BANDES OH(AX) (0,0) ET NO(AX) (0,1). _ COUPLAGE DU MODELE CR DE PLASMA D'AZOTE AVEC UN CODE AEROTHERMODYNAMIQUE DEDIE A L'ETUDE DES PLASMAS GENERES PAR ONDE DE CHOC LORS DES PHASES DE RENTREE ATMOSPHERIQUE D'ENGINS SPATIAUX. LE DIAGNOSTIC DE CE TYPE DE PLASMA EN COMPLET DESEQUILIBRE THERMOCHIMIQUE EST REALISE A PARTIR DE LA SIMULATION DES SPECTRES MOLECULAIRES DES SYSTEMES N#2#+ (PREMIER NEGATIF) ET N#2 (SECOND POSITIF).
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Le rayonnement émis par les plasmas joue un rôle important dans de nombreuses applications allant du traitement de surfaces aux sciences de l'aérospatial. Dans le cas d'un milieu constitué d'atomes et de molécules tel un plasma, l'analyse de l'émission spectrale de ces espèces permet notamment de remonter à des grandeurs caractéristiques telles que la température et les densités des espèces dans le milieu. Cette étude propose de caractériser un plasma à l'équilibre et faiblement hors-équilibre à travers son rayonnement. Pour ce faire, un code de simulation de spectres radiatifs a été développé afin d'étudier le rayonnement de ces plasmas en fonction de la (des) température(s) caractéristique(s) du milieu et un dispositif expérimental d'une torche micro-ondes permettant de générer un plasma en faible déséquilibre thermique a été mis en place et la décharge a été caractérisée par spectroscopie optique d'émission. La première partie de ce travail situe le contexte scientifique de cette étude par rapport à l'existant et au projet scientifique de l'équipe. Les lois physiques qui régissent les plasmas à l'équilibre et en déséquilibre sont détaillées. Les méthodes de diagnostic basées sur la spectroscopie optique d'émission communément utilisées pour sonder ces plasmas sont présentées. Les logiciels de simulation de spectres radiatifs LIFBASE, SPECAIR et SPARTAN sont décrits à la fin de ce chapitre ; les résultats issus de ces logiciels servent de référence et de comparaison pour le code de simulation développé pour ce travail. La seconde partie traite de la simulation de spectres radiatifs des plasmas à l'équilibre et en déséquilibre thermique. La théorie du rayonnement moléculaire est présentée en détails ainsi que le calcul des niveaux d'énergie d'une molécule diatomique. Les lois de sélection autorisant les transitions radiatives entre ces niveaux et conduisant à la structure particulière des spectres moléculaires sont également discutées. Les spectres simulés via le code numérique mis en place au cours de ces travaux sont comparés avec les spectres de référence pour les systèmes moléculaires d'un plasma d'air et d'argon-azote-hydrogène. Les concordances et les différences observées lors de ces comparaisons sont soulignées ainsi que la nécessité de comparer les spectres calculés avec des spectres expérimentaux afin de juger de la validité de notre modèle et de ceux des logiciels utilisés. La troisième partie de ce mémoire présente l'étude expérimentale mise en place au LAPLACE sur la caractérisation du rayonnement émis par une torche plasma micro-ondes opérant à la pression atmosphérique.[...].
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Ce travail de thèse s'inscrit dans le cadre d'un projet de développement d'un procédé de détections de polluants dans l'eau au moyen d'un dispositif d'ablation laser. L'impact d'un faisceau laser sur un matériau permet de vaporiser le milieu et de générer un plasma. L'analyse spectroscopique du gaz ionisé permet de remonter à la composition élémentaire de l'échantillon. Cette méthode d'analyse, applicable à tous types de milieux (solides, liquides, gazeux, isolants ou conducteurs) est connue sous le nom de LIBS (Laser induced Breakdown Spectroscopy). Un laser Nd : Yag (? = 532 nm, durée d'une impulsion 4ns, énergie déposée 30 mJ, fréquence des tirs 5 Hz) a été utilisé pour générer un plasma à la surface de cibles liquides contenant une faible proportion de sels d'alcalins (5.10-4 à 2 mol/litre de CaCl2, MgCl2 et NaCl). Ce travail a permis de tester la sensibilité du procédé et de définir les limites de détection des espèces Ca, Mg et Na jouant le rôle d'impuretés. Différentes techniques de diagnostic par spectroscopie optique en émission basées sur l'hypothèse de l'équilibre thermodynamique local (ETL) ont également été mises en œuvre pour caractériser le panache de plasma dans sa phase d'extinction (température et densités d'espèces). La seconde partie de ce travail de thèse a été consacrée au développement de codes de calcul de la composition chimique et des propriétés radiatives du plasma avec notamment la détermination des coefficients moyens d'absorption k? (m-1) par bandes de fréquence et du coefficient d'émission nette ?N (W.m-3.sr-1) qui représente la puissance totale rayonnée par le plasma. Les différentes contributions ont été traitées séparément dans le calcul : raies d'émission atomiques auto-absorbées et non auto-absorbées, continuum atomique (attachement radiatif, recombinaison radiative et rayonnement de freinage électron - ion et électron - atome), continuum moléculaire (photoionisation, photoattachement et photodissociation) et bandes moléculaires. L'influence de la pression, de la dimension du panache de plasma, de la concentration en impuretés (sels d'alcalin) et du pourcentage d'air provenant du pompage du gaz environnant a été étudiée.
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Dans le domaine des plasmas thermiques, de nombreux procédés industriels sont caractérisés en supposant l'équilibre thermique. Cependant ces conditions d'équilibre ne sont pas remplies près des bords des plasmas crées par des arcs électriques ou des jets de plasmas. Les écarts à l'équilibre modifient alors considérablement la cinétique chimique du milieu et peuvent affecter le procédé étudié. La compréhension, l'analyse et la prédiction de ces procédés demandent alors une modélisation physique du plasma à deux températures (2T). Cette modélisation s'appuie sur le calcul préalable des propriétés du plasma 2T, calcul qui fait l'objet de cette thèse. La première partie de ce travail est consacrée au calcul de la composition d'un plasma à 2T. Il existe dans la littérature plusieurs théories permettant de calculer les densités des espèces pour un plasma hors équilibre mais l'originalité de ce travail se trouve dans l'établissement d'une loi " pseudo cinétique " régissant le peuplement des espèces. La seconde partie concerne le calcul des propriétés thermodynamiques. Elle s'appuie sur une étude bibliographique des méthodes de calcul déjà existantes et des données indispensables à l'obtention de telles propriétés. Un effort particulier est fait pour séparer les contributions des électrons et celles des particules lourdes dans les échanges d'énergie. La dernière partie de cette thèse est dédiée aux calculs des coefficients de transport. Nous évoquons les grandes lignes de calculs des propriétés intermédiaires avant de présenter les différentes théories existantes dans la littérature. Tous les résultats ont été validés par confrontation du calcul à l'ETL avec la littérature.
Author: Yacine Babou Publisher: ISBN: Category : Languages : en Pages : 250
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The prediction of radiative transfers is required in many applications such as the re-entry of space vehicles in the atmosphere. The present work is articulated around three large axes devoted to the study of the radiation emitted from CO2-N2 plasmas for Martian atmospheric entry applications. The first part is dedicated to the construction of spectroscopic databases useful for high resolution radiation prediction of CO2-N2 mixtures for temperatures ranging from 2000 K to 50000 K. The work was especially focused on the construction of exhaustive data related to bound-bound radiative transitions of CO2, CO, CO+ and CN molecules.The second part is dedicated to the presentation and the exploitation of an experimental bench including a microwave plasma torch working at atmospheric pressure. Optical diagnostic benches for emission spectroscopy in the UV, visible and near infrared are used. Measured spectra for CO2 and CO2(97%)-N2(3%) plasmas, were analysed in order to characterise the thermodynamic state. The plasma was found at the equilibrium and the temperature of the CO2 and CO2(97%)-N2(3%) plasmas was found to be at 5400 K and 6500 K respectively. In the third part, a radiative properties model is developed suitable for the prediction of radiative in the framework of multi-temperature description of the thermodynamic state of the atmospheric entry plasma. This approach is combined with the available spectroscopic databases in order to predict radiative transfer for Mars and Earth atmospheric entry.
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La constitution de bases de données spectroscopiques recensant l'ensemble des processus radiatifs d'un plasma d'air à l'équilibre thermodynamique local (ETL) a requis la détermination des concentrations et des fonctions de partition des espèces majoritaires dans un plasma d'air à l'ETL entre 300K et 25000K. Les bases de données sont utilisées pour développer des modèles de transferts radiatifs de type émission nette, coefficient moyen d'absorption pondéré par des facteurs d'échappement, somme pondérée de gaz gris à espèces fictives. Ces modèles sont testés sur une géométrie simple pour différents profils de température. Par ailleurs, pour valider à terme les bases de données, un dispositif expérimental (ARC MAECKER) est mis en place. Des techniques de dépouillement sont développées pour caractériser le plasma en émission. Des mesures de températures et de densité électronique sont réalisées sur des plasmas d'argon et argon-hydrogène. Les spectres d'émission de ces plasmas sont modélisés entre 300 et 1000 nm, à l'ETL, entre 1000 et 15000 K. Une comparaison montre un bon accord entre spectres expérimentaux et simulés.
Author: Zo Alain Ranarijaona Publisher: ISBN: Category : Languages : fr Pages : 134
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Dans cette thèse, nous apportons une contribution à l'étude de la dépendance entre des variables aléatoires à queues lourdes, et en particulier symétriques a-stables, en introduisant un nouveau coefficient de dépendance : le coefficient de covariation symétrique signé. Nous utilisons ce coefficient ainsi que le paramètre d'association généralisé introduit par Paulauskas (1976), dans le contexte des séries chronologiques, à des fins d'identification des processus MA et AR stables. Dans le premier chapitre, nous donnons une vue d'ensemble des lois a-stables. Nous rappelons les concepts fondamentaux, quelques unes des représentations des variables aléatoires associées, tant dans le cas univarié que multivarié. La mesure spectrale porte toute l'information sur la structure de dépendance d'un vecteur aléatoire a-stable. Sa forme est donnée pour deux sous-familles de lois : les vecteurs aléatoires sous-gaussiens et les combinaisons linéaires de variables aléatoires indépendantes. La covariation et la codifférence sont présentées. Nous introduisons le coefficient de covariation symétrique signé dans le deuxième chapitre. Ce coefficient possède la plupart des propriétés du coefficient de corrélation de Pearson. Dans le cas des vecteurs aléatoires sous-gaussiens, il coïncide avec le coefficient d'association généralisé. La consistance des estimateurs proposés pour ces deux quantités est démontrée. Les résultats d'une étude sur les comportements asymptotiques des estimateurs sont présentés. Dans le troisième chapitre, nous introduisons les notions d'autocovariation symétrique signée et d'auto-association généralisée pour des processus linéaires stationnaires. Nous utilisons ces coefficients pour l'identification de l'ordre d'un processus MA stable. Nous proposons une statistique jouant le rôle d'un coefficient d'autocorrélation partielle. Nous comparons cette statistique avec les statistiques quadratiques asymptotiquement invariantes fondées sur les rangs et utilisées par Garel et Hallin (1999) pour l'identification des AR stables. Une étude des résultats obtenus est réalisée à partir de simulations.
Author: Tommy Billoux Publisher: ISBN: Category : Languages : fr Pages : 226
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La simulation des propriétés radiatives d'un milieu plasma nécessite la mise en place d'une base de données spectroscopiques. L'objectif de cette thèse consiste en la mise en place d'outils de base permettant d'appréhender une large variété d'applications. Celles-ci font intervenir des mélanges de type CO2 (disjoncteurs basse tension), d'air à haute pression (torches ICP), des mélanges CO/H2 (création de gaz de synthèse par la gazéification de biomasse). Enfin la modélisation de rentrées atmosphériques (Terre, Mars, Vénus, Titan) implique des mélanges de type CwHxOyNz. La modélisation des procédés industriels nécessite l'implémentation des échanges radiatifs dans les modèles de simulations magnétohydrodynamiques par des méthodes d'approximation de l'équation du transfert radiatif telles que l'approximation du coefficient d'émission nette (CEN) ou les méthodes des coefficients moyens d'absorption par intervalle de fréquences. De plus nous souhaitions développer un outil nécessaire à la caractérisation de mesures expérimentales par comparaison avec les spectres théoriques simulés à l'aide de notre code de calcul afin d'estimer ou confirmer les mesures expérimentales de températures et de densités, caractériser les espèces présentes, la contamination du milieu. Nous avons ainsi mis en place un algorithme permettant de calculer les spectres d'émission et d'absorption à l'équilibre thermodynamique local (ETL) pour tout type de mélanges CwHxOyNz. La base de données a été étendue à une large gamme de température (300-30kK) et de pressions (1atm-100 bar) afin de d'appréhender de nombreuses applications. Nous avons pris en compte selon une approche " line by line " les divers phénomènes radiatifs mis en jeu dans un plasma afin de traiter de façon précise le recouvrement des raies et du continuum. Le calcul des spectres de raies et du continuum atomiques a été développé en se basant sur des travaux déjà réalisés au sein de l'équipe. Les raies atomiques ont été calculées à l'aide des niveaux d'énergie et forces d'oscillateurs tirées de la littérature décrivant 22276 raies (C,C+,C2+,C3+,N,N+,N2+,N3+,O,O+,O2+,O3+,H). Le continuum atomique a été calculé à l'aide de formules analytiques décrivant transitions lié-libre (photodétachement, photoionisation) et libre-libre (bresstrahlung-inverse). Le continuum moléculaire a été modélisé à partir de sections efficaces expérimentale de photodissociation et photoionisation issues de la littérature. Nous avons pris en compte 46 systèmes électroniques pour les 12 molécules diatomiques majoritaires : OH, CH, CH+, H2, CO, CO+, C2, O2, NO, CN, N2, N2+. Les spectres moléculaires diatomiques ont été calculés à l'aide de constantes spectroscopiques basées sur la résolution des hamiltoniens moléculaires. Nous avons mis en place une méthode de calcul des probabilités de transition dans le cas de molécules hydrogénées afin de prendre en compte la dépendance rotationnelle des probabilités de transitions dans le cas de molécules hydrogénées. 18 molécules polyatomiques (dont CO2 et H2O) ont été prises en compte à l'aide de bases de données en libre accès dans la littérature. Nous présentons dans ce travail les résultats obtenus pour des mélanges d'air, de CO2 et CO/H2 (en proportions variables) dans le cas de l'approximation du coefficient d'émission nette. Une étude qualitative à l'aide d'une modèle simplifié de transfert radiatif unidimensionnel est présentée afin de discuter de l'influence du rayonnement moléculaire pour différentes configurations de plasma. Enfin, à l'aide de ce modèle, nous discuterons de la validité de l'approximation du coefficient nette pour estimer la divergence du flux dans les modèles.
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Au cours de ce travail de thèse, un jet de plasma d’air subsonique crée par une torche ICP en configuration de jet libre et de couche limite de plaque plane a été étudié au moyen de diagnostics optiques. Les espèces moléculaires majoritaires ont été sondées sur leurs états fondamentaux via les méthodes de diffusion Raman spontanée - pour N2 et O2 - et de fluorescence induite par laser large-bande à 248 nm - pour NO. En outre, l’état excité (A2 ∑+) de cette dernière molécule a fait l’objet de mesures par spectroscopie d’émission. La détermination des températures de vibration et de rotation ainsi que de la densité a été effectuée par comparaison des spectres expérimentaux avec des spectres théoriques élaborés durant cette thèse. Toutes ces techniques ont clairement mis en évidence un déséquilibre entre les températures de vibration et de rotation dans le jet libre et dans la couche limite de plaque plane. Cependant, les diagnostics laser fournissent une température cinétique – identifiée à la température de rotation - bien inférieure aux valeurs usuelles trouvées par spectroscopie d’émission. D’autre part, au centre du jet, les densités des états fondamentaux sont très proches de l’équilibre chimique à la température cinétique de l’écoulement. Par contre, la densité des états excités est très supérieure - de plusieurs ordres de grandeurs. Il apparaît ainsi qu’un code d’écoulement ne permet pas d’estimer le rayonnement d’un plasma d’air hors-équilibre. En ce qui concerne la plaque plane, on observe que l’équilibre se conserve sur N2. Au contraire, la densité de NO augmente très nettement en proche paroi. Ce phénomène peut s’expliquer directement par la catalycité sur la paroi ou par les mécanismes d’échange dans l’air en proche paroi en supposant que de l’oxygène moléculaire est produit par catalyse hétérogène.
Author: Philippe Teulet
Author: Philippe Teulet
Author: Abdel Majid Kassir
Author: Riadh Hannachi
Author: Hugues Hingana
Author: Yacine Babou
Author: Christine Deron
Author: Zo Alain Ranarijaona
Author: PAUL-ANDRE.. ABILA
Author: Tommy Billoux
Author: Damien Studer