Simulations numériques de l’interaction d’une décharge plasma à pression atmosphérique avec des surfaces diélectriques

Numerical simulation of the interaction of atmospheric pressure plasma discharges with dielectric surfaces

• Auteur / Autrice : François Pechereau
• Direction : Anne Bourdon
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Energétique
• Date : Soutenance le 19/12/2013
• Etablissement(s) : Châtenay-Malabry, Ecole centrale de Paris
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences pour l'Ingénieur (Châtenay-Malabry, Hauts de Seine)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire d'énergétique moléculaire et macroscopique, combustion (Gif-sur-Yvette, Essonne)
• Jury : Président / Présidente : Jean-Michel Pouvesle
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Anne Bourdon, Jean-Hugues Paillol, Sergey Pancheshyni, Zdenek Bonaventura, Olivier Guaitella
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Jean-Hugues Paillol, Sergey Pancheshyni

Mots clés

Mots clés contrôlés

Diélectriques

Surfaces (physique)

Mots clés libres

Simulation numérique

Décharge plasma

Pression atmosphérique

Numerical simulation

Plasma discharge

Atmospheric pressure

Résumé

Dans cette thèse nous avons étudié l'influence de surfaces diélectriques sur la dynamique de propagation de décharges à pression atmosphérique. Tout d'abord, pour les simulations 2D réalisées dans ce travail, nous avons optimisé les performances du code de décharge en utilisant des schémas numériques performants et des techniques de parallélisation. Nous avons ensuite étudié la dynamique de propagation d'une décharge dans l'air à pression atmosphérique dans une géométrie pointe-plan avec un plan diélectrique sur la cathode. Puis, nous avons étudié l'influence d'un obstacle plan diélectrique sur la dynamique de propagation d'une décharge. Nous avons montré que selon les caractéristiques du diélectrique, l'amplitude et la polarité de la tension appliquée, une seconde décharge peut s'initier ou pas dans l'air derrière le diélectrique. La comparaison des résultats avec les expériences a montré que dans une géométrie pointe-plan avec une pointe fine et une tension très élevée, une seule décharge de forme conique est observée. Un bon accord est obtenu sur le diamètre de la décharge et sa vitesse de propagation. Avec un obstacle plan diélectrique entre les électrodes, la dynamique de ré-allumage est plus rapide dans les simulations. Pour améliorer la comparaison avec les expériences, nous avons étudié l'influence de plusieurs processus physico-chimiques. Pour finir, nous avons étudié la dynamique de décharges à pression atmosphérique dans des tubes diélectriques. Pour un mélange He-N2, nous avons montré l'importance des réactions à trois corps. Enfin, nous avons montré l'influence du diamètre du tube sur la structure des décharges dans un mélange He - N2 et dans l'air.

In this Ph.D. thesis, we have carried out 2D numerical simulations to study the influence of dielectric surfaces on the propagation dynamics of plasma discharges at atmospheric pressure. First we have improved the computational efficiency of the discharge code used in this work in implementing parallelization techniques and more efficient numerical schemes. Second we have studied the dynamics of an air discharge at atmospheric pressure in a point-to-plane geometry with a dielectric layer on the cathode plane. Then, we have studied the influence of a dielectric layer obstacle in the inter-electrode gap. We have shown that depending on the characteristics of the dielectric layer and the amplitude and polarity of the applied voltage, a second discharge may reignite or not below the dielectric in the second air gap. The comparison of simulation results with experiments has shown that in a point-to-plane geometry with a sharp point and a high over-voltage, a single conical discharge structure is observed. A good agreement on the discharge diameter and propagation velocity has been obtained. With a dielectric obstacle in the gap, the simulated reignition dynamics is faster than in the experiments. To improve the agreement, we have studied the influence of several physico-chemical processes. Finally, we have studied the dynamics of discharges in dielectric tubes at atmospheric pressure. For a He -N2 mixture, we have put forward the importance of three body reactions. Last, the influence of the tube radius on the structure of discharges in He - N2 and air is discussed.