Étude de la cinétique chimique et des propriétés de transport d'un plasma d'arc SF6-C2F4 en déséquilibre thermique PDF Download
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Author: Gabriel Vanhulle
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Languages : fr
Pages : 168
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Book Description
La modélisation d'un disjoncteur haute tension par un modèle MHD nécessite des banques de données de propriétés du plasma afin de simuler le comportement de l'arc électrique. L'hypothèse d'équilibre thermodynamique local est souvent utilisée afin de calculer ces propriétés. Cependant les conditions d'équilibre ne sont pas remplies près des parois ou des électrodes, ou lors du passage par zéro du courant. Les écarts à l'équilibre (thermique notamment) modifient alors considérablement la chimie et les propriétés du plasma. L'étude de ces propriétés dans ces conditions nécessite alors de supposer que le plasma est à deux températures (2T). Le calcul des propriétés du plasma à 2T fait l'objet de cette thèse. La première partie de cette thèse présente le contexte industriel à l'origine de cette étude. Les hypothèses de base qui sous-tendent l'hypothèse 2T sont ensuite rappelées. Dans cette partie une attention spéciale est portée aux températures caractéristiques de peuplement des modes d'énergies internes. Deux jeux d'hypothèses portant sur ces températures sont utilisés dans ces travaux, et le choix de ces hypothèses est discuté. La deuxième partie de ce travail est consacrée au calcul de composition d'un plasma de SF6-C2F4 à 2T. Ce calcul sera fait avec deux méthodes différentes : la première repose sur la loi d'action de masse étendue à 2T, et la seconde sur un calcul collisionnel-radiatif. Des exemples de composition obtenus avec ces deux méthodes sont présentés. Les hypothèses portant sur les températures de peuplement des niveaux d'énergies internes sont discutées au vu de ces résultats. Le troisième chapitre de cet ouvrage aborde le calcul des propriétés thermodynamiques à 2T du plasma. Les formulations théoriques de chacune de ces propriétés sont d'abord rappelés, et les résultats issus de ces expressions sont ensuite présentés et discutés, pour les deux méthodes de calcul de la composition. Le quatrième chapitre est dédié au calcul des coefficients de transports d'un plasma de SF6-C2F4 à 2T. Cette partie s'appuie sur une étude bibliographique des méthodes de calcul déjà existantes et des données indispensables à l'obtention de ces propriétés (intégrales de collision). Pour chaque propriété (viscosité, conductivité électrique et conductivité thermique) les différentes méthodes de calcul recensées dans la littérature sont comparées. Le choix de la technique de calcul la plus appropriée est réalisé par confrontation de résultats à l'ETL. Une attention toute particulière est portée au calcul de la partie réactive de la conductivité thermique, et une formulation adaptée aux besoins de ce travail est proposée. Les résultats issus de ces expressions sont présentés et discutés suivant la même logique quand dans le chapitre précédent.
Author: Gabriel Vanhulle
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Languages : fr
Pages : 168
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Book Description
La modélisation d'un disjoncteur haute tension par un modèle MHD nécessite des banques de données de propriétés du plasma afin de simuler le comportement de l'arc électrique. L'hypothèse d'équilibre thermodynamique local est souvent utilisée afin de calculer ces propriétés. Cependant les conditions d'équilibre ne sont pas remplies près des parois ou des électrodes, ou lors du passage par zéro du courant. Les écarts à l'équilibre (thermique notamment) modifient alors considérablement la chimie et les propriétés du plasma. L'étude de ces propriétés dans ces conditions nécessite alors de supposer que le plasma est à deux températures (2T). Le calcul des propriétés du plasma à 2T fait l'objet de cette thèse. La première partie de cette thèse présente le contexte industriel à l'origine de cette étude. Les hypothèses de base qui sous-tendent l'hypothèse 2T sont ensuite rappelées. Dans cette partie une attention spéciale est portée aux températures caractéristiques de peuplement des modes d'énergies internes. Deux jeux d'hypothèses portant sur ces températures sont utilisés dans ces travaux, et le choix de ces hypothèses est discuté. La deuxième partie de ce travail est consacrée au calcul de composition d'un plasma de SF6-C2F4 à 2T. Ce calcul sera fait avec deux méthodes différentes : la première repose sur la loi d'action de masse étendue à 2T, et la seconde sur un calcul collisionnel-radiatif. Des exemples de composition obtenus avec ces deux méthodes sont présentés. Les hypothèses portant sur les températures de peuplement des niveaux d'énergies internes sont discutées au vu de ces résultats. Le troisième chapitre de cet ouvrage aborde le calcul des propriétés thermodynamiques à 2T du plasma. Les formulations théoriques de chacune de ces propriétés sont d'abord rappelés, et les résultats issus de ces expressions sont ensuite présentés et discutés, pour les deux méthodes de calcul de la composition. Le quatrième chapitre est dédié au calcul des coefficients de transports d'un plasma de SF6-C2F4 à 2T. Cette partie s'appuie sur une étude bibliographique des méthodes de calcul déjà existantes et des données indispensables à l'obtention de ces propriétés (intégrales de collision). Pour chaque propriété (viscosité, conductivité électrique et conductivité thermique) les différentes méthodes de calcul recensées dans la littérature sont comparées. Le choix de la technique de calcul la plus appropriée est réalisé par confrontation de résultats à l'ETL. Une attention toute particulière est portée au calcul de la partie réactive de la conductivité thermique, et une formulation adaptée aux besoins de ce travail est proposée. Les résultats issus de ces expressions sont présentés et discutés suivant la même logique quand dans le chapitre précédent.
Author: Xavier Baumann
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Languages : fr
Pages : 126
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Book Description
Le transport du courant électrique sur de longues distances nécessite l'emploi de la haute-tension pour minimiser les pertes en énergie. Toutefois, lorsqu'un défaut survient sur le réseau, il faut pouvoir couper le courant électrique. À cette fin, on utilise des appareils spécifiques comme les disjoncteurs haute-tension qui doivent être capables de couper l'arc électrique qui se forme lors de l'ouverture des contacts électriques. Afin de concevoir et d'améliorer les disjoncteurs, les industriels recourent de plus en plus aux modélisations numériques simulant le comportant de l'arc électrique et du plasma qui le sous-tend. Toutefois, les phénomènes ayant lieu dans le plasma sont complexes et nécessitent une expertise bien spécifique, disponible dans les laboratoires de recherche publique. Cette thèse s'inscrit dans un partenariat entre l'industriel Siemens et l'équipe AEPPT du LAPLACE dans le but de créer une banque de données, nécessaire aux modélisations numériques, afin d'étudier spécifiquement la phase d'extinction de l'arc électrique. Cette banque porte sur les propriétés thermodynamiques et radiatives du plasma. Les coefficients de transport, essentiels, ont fait l'objet d'une autre thèse effectuée en parallèle de celle-ci par G. Vanhulle. Le calcul de ces propriétés est relativement bien connu si le plasma est à l'équilibre thermodynamique. Néanmoins, lors de l'extinction de l'arc, les électrons libres et les particules lourdes (molécules, atomes et ions) ne sont plus nécessairement à l'équilibre thermique et sont décrits par des températures différentes (on parle alors de plasma 2T). L'originalité de cette thèse réside dans l'extension du calcul des propriétés d'un plasma SF_6-C_2 F_4 en conditions hors équilibre thermique. Nous commençons par discuter le calcul des températures internes des espèces lourdes (température d'excitation des niveaux électroniques, vibrationnels et rotationnels) puis le calcul des fonctions de partition, indispensables pour obtenir les autres propriétés du plasma. Pour obtenir la composition chimique 2T du plasma, nous avons développé une approche fondée sur la cinétique chimique qui est basée sur un ensemble d'équations de bilan de peuplement, permettant de limiter les approximations physiques simplificatrices. Toutefois, cette approche n'est pas adaptée pour calculer une grande banque de données. Nous avons donc opté pour une méthode de calcul de la composition selon deux lois d'action de masse multi-températures. À l'aide des compositions chimiques obtenues, nous calculons ensuite les propriétés thermodynamiques et radiatives. Les propriétés thermodynamiques (densité, enthalpie et capacité thermique) sont décrites et les résultats sont discutés. Les propriétés radiatives sont plus complexes à obtenir. Nous présentons en détails les processus radiatifs et les phénomènes d'élargissement des raies atomiques permettant d'obtenir les coefficients d'émission et d'absorption du plasma. Enfin, nous discutons le transfert du rayonnement à travers le plasma et nous présentons nos résultats en utilisant la méthode du coefficient d'émission nette permettant de déterminer la divergence du flux radiatif dans les modèles magnétohydrodynamiques.
Author: Ali Hleli
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Languages : fr
Pages : 98
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Le procédé de synthèse par arc électrique ou plasma quasi-thermique est l'un des plus usités pour la production de nanomatériaux. L'étude des phénomènes physico-chimiques sous-jacents peut être réalisée au moyen de modèles collisionnels-radiatifs, pour décrire plus finement la composition chimique en s'appuyant sur les lois de conservation du nombre de particules dans le plasma, et accéder ensuite aux propriétés thermiques. Ces modèles fournissent une description réaliste de la chimie induite par les arcs et permettent de prendre en compte les éventuels écarts à l'équilibre thermodynamique local. C'est dans ce contexte que se situe ce travail, relatif au développement des outils numériques multi-températures pour, prédire la composition chimique du mélange Ar-He-N2 en présence de carbone, nickel et yttrium provenant de l'ablation des électrodes, employé expérimentalement pour la synthèse de nanoparticules de carbone, et élaborer une base de données spectroscopiques permettant de décrire les phénomènes radiatifs dans des mélanges composés de l'azote et du carbone, notamment la détermination des spectres en émission des deux systèmes C2 Swan et CN Violet fréquemment observés et utiles pour la caractérisation et le diagnostic des arcs : détermination des températures de rotation et de vibration.
Author: Hugues Hingana
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Languages : fr
Pages : 166
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Book Description
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: Vincent Rat
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Languages : fr
Pages : 45
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Book Description
Ce mémoire est consacré au calcul des propriétés de transport dans des plasmas thermiques hors d'équilibre, pour lesquels la température cinétique des électrons est différente de celles des espèces lourdes, en maintenant un couplage électrons-particules lourdes, l'équilibre chimique est supposé établi. Des applications à l'argon pur et au mélange Ar-H2 sont présentées. Dans un premier temps, nous montrons que la théorie simplifiée des coefficients de transport, qui suppose la séparation entre électrons et espèces lourdes et qui est très souvent utilisée dans les modélisations hors d'équilibre, ne permet pas de vérifier la loi de conservation de la masse dans le mélange. Par conséquent, il est nécessaire de dériver une théorie des propriétés de transport, en abandonnant les hypothèses de la théorie simplifiée, dans les plasmas thermiques hors d'équilibre thermique. Nous ne considérons que les collisions élastiques. La méthode de Chapman-Enskog permet de résoudre l'équation de Boltzmann tout en gardant le couplage entre électrons et espèces lourdes. Ainsi, les coefficients de diffusion ordinaire, thermique, ambipolaire, et combinés ainsi que les conductivités électrique et thermique (de translation, de réaction) sont dérivés. Nous mettons également en évidence des coefficients de transport dus au déséquilibre thermique. L'application à l'argon pur permet de montrer que le déséquilibre thermique n'a pas d'influence sur la convergence des coefficients de transport. De plus, la comparaison avec les résultats de la théorie simplifiée montre d'importants écarts pour les conductivités électrique et de translation des électrons. L'application au mélange Ar-H2 montre que la conservation de la masse est maintenant satisfaite. De plus, nous mettons en évidence l'influence de la méthode de calcul de la composition du plasma hors d'équilibre thermique sur les coefficients de transport.
Author: Wenxian Fan
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Languages : fr
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Book Description
CE TRAVAIL EST CONSACRE A LA MODELISATION DES JETS DE PLASMA A BASSE PRESSION ET A HAUTE TEMPERATURE. CES JETS SE TROUVANT EN EQUILIBRE OU EN DESEQUILIBRES THERMIQUE ET CHIMIQUE, SONT ETUDIES AU LABORATOIRE D'AEROTHERMIQUE DE MEUDON DANS LE CADRE DE SIMULATION DES CONDITIONS DE RENTREES D'UN ENGIN DANS LA HAUTE ATMOSPHERE TERRESTRE. LA COMPOSITION D'UN PLASMA D'AZOTE EN DESEQUILIBRE THERMIQUE ET CELLE D'UN PLASMA D'AZOTE-METHANE (ATMOSPHERE DE SATELLITE TITAN) SONT CALCULEES DANS LES DIFFERENTES CONDITIONS DE PRESSION ET DE TEMPERATURE EN UTILISANT RESPECTIVEMENT LA METHODE DE SAHA MODIFIEE ET CELLE DE BRINKLEY. CERTAINES PROPRIETES THERMIQUES SONT CALCULEES EN UTILISANT LA FONCTION DE PARTITION DES ESPECES D'APRES LES CONSTANTES DES STRUCTURES DES MOLECULES ET DES ATOMES. LA THEORIE CINETIQUE DES GAZ EST CHOISIE POUR DETERMINER LES PROPRIETES DE TRANSPORT D'UN PLASMA D'AZOTE EN DESEQUILIBRES THERMIQUE ET CHIMIQUE DANS DIFFERENTES CONDITIONS. CETTE DETERMINATION EST NECESSAIRE POUR DETERMINER LE COMPORTEMENT DE L'ECOULEMENT D'UN GAZ IONISE DANS LE BUT DE RESOUDRE LES DIFFERENTES EQUATIONS DE CONSERVATION. UN MODELE ANALYTIQUE D'APPROCHE, BASE SUR LA THEORIE DE MAGNETO-DYNAMIQUE, EST ETABLI EN TENANT COMPTE DES EFFETS DE DESEQUILIBRES THERMIQUE ET CHIMIQUE POUR LES JETS DE PLASMAS A BASSE PRESSION ET HAUTE TEMPERATURE. CE MODELE PRESENTE LA PREMIERE ETAPE DE LA MODELISATION ET SERA UTILISE POUR SIMULER LES JETS DE PLASMAS EN DESEQUILIBRE
