Modélisation numérique d’une décharge DC poussiéreuse : couplage entre équilibre de la décharge, croissance moléculaire et dynamique d’aérosol

Dusty DC Discharge numerical modelling : coupling between discharge equilibrium, molecular growth and aerosol Dynamics

• Auteur / Autrice : Armelle Michau
• Direction : Khaled Hassouni
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie des procédés
• Date : Soutenance en 2012
• Etablissement(s) : Paris 13

Mots clés

Mots clés contrôlés

Atomisation

Décharges électriques dans les gaz

Plasmas poussiéreux

Résumé

L’objectif était d’améliorer la compréhension des phénomènes conduisant à la formation de particules solides de carbone produites par pulvérisation d’une cathode en graphite dans une décharge DC en développant un ensemble d’outils numériques. Nous avons tout d’abord modélisé la décharge DC, puis la croissance moléculaire et le transport des précurseurs, couplés à la dynamique d’aérosol des particules dans cette décharge électrique. La distribution des particules est appréhendée au travers de valeurs moyennes. Nous avons établi le schéma de croissance moléculaire en montrant le rôle essentiel des clusters négatifs. Nous avons ensuite étudié la croissance des particules qui se forment dans la zone d’inversion de champ électrique et croissent principalement par collage. L’effet de la coagulation sur la taille des particules reste faible bien que son impact sur leur densité ne puisse être négligé. Le modèle montre un bon accord avec les mesures expérimentales. Cependant, la coagulation des particules ne peut pas être fidèlement décrite. De plus, en fin de décharge, l’hypothèse selon laquelle l’équilibre de la décharge n’est pas affecté par les clusters et les particules n’est plus valide. C’est pourquoi nous avons étendu notre modèle pour décrire la décharge poussiéreuse et l’avons couplé aux modèles des clusters et des particules. Nous avons également développé un modèle sectionnel permettant de mieux décrire la distribution en taille des particules. Nous avons montré que la coagulation joue un rôle important sur la distribution en taille des particules. Les distributions simulées sont en très bon accord avec les observations expérimentales.

The objective was to improve the understanding of the formation of solid particles of carbon produced by graphite cathode sputtering in a DC discharge with a set of numerical tools. We first modeled the DC discharge, then the growth and transport of molecular precursors, coupled to aerosol particle dynamics in the discharge. Particle distribution is represented by average values. We established the molecular growth scheme showing the importance of negative clusters. We then studied the growth of particles trapped in the electric field, which is controlled by molecular sticking. The influence of coagulation on particle size remains low although its impact on their density is important. The model shows good agreement with experimental measurements. However, coagulation of particles is not accurately described. Moreover, at the end of discharge, the assumption that the discharge equilibrium is not affected by clusters and particles is no longer valid. So we have extended our model to describe the dusty discharge and coupled it with models of clusters and particles. We also developed a sectional model for a better description of the particle size distribution. We have shown that coagulation plays an important role on the size distribution of particles. Simulated distributions are in good agreement with experimental observations.