Formation d’un plasma complétement ionisé et combustion assistée par décharges nanosecondes

Thermal spark formation and plasma-assisted combustion by nanosecond repetitive discharges

• Auteur / Autrice : Nicolas Minesi
• Direction : Christophe Laux, Gabi-Daniel Stancu
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Combustion
• Date : Soutenance le 16/12/2020
• Etablissement(s) : université Paris-Saclay
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences mécaniques et énergétiques, matériaux et géosciences (Gif-sur-Yvette, Essonne ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire d'énergétique moléculaire et macroscopique, combustion (Gif-sur-Yvette, Essonne)
• Partenaire(s) de recherche : Référent : CentraleSupélec (2015-....)
• Jury : Président / Présidente : Armelle Cessou
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Peter Bruggeman, Khaled Hassouni, Guillaume Pilla, Svetlana Starikovskaia, David Pai
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Peter Bruggeman, Khaled Hassouni

Mots clés

Mots clés contrôlés

Spectroscopie

Cinétique chimique

Plasmas (gaz ionisés)

Mots clés libres

Plasma

Combustion assistée par plasma

Décharges nanosecondes

Cinétique

Spectroscopie

Plasma

Plasma-Assisted combustion

Nanosecond discharges

Kinetics

Spectroscopy

Thermal spark

Résumé

Cette thèse porte sur l’étude de la formation et de la recombinaison d’un plasma complétement ionisé généré par une impulsion électrique de quelques nanosecondes. La formation du plasma se décompose en cinq étapes : (i) ionisation partielle de l’espace inter-électrode, (ii) formation d’un filament à la cathode, (iii) formation d’un filament à l’anode, (iv) propagation des filaments et (v) fusion des filaments. Ces derniers sont caractérisés par une émission intense de N+ et d’un continuum des électrons. Nos mesures montrent que la densité d’électrons augmente de 1017 à 1019 cm-3 en moins de 0.5 ns. Cette augmentation abrupte est due à l’ionisation des états excités de N et O, comme le montre un mécanisme cinétique développé dans cette thèse. Le plasma complétement ionisé est à l’équilibre chimique et thermique. Après que l’ionisation complète est atteinte, la densité et la température des électrons décroissent en raison d’une expansion isentropique de la colonne de plasma. Les décharges Nanosecondes Répétitives Pulsées (NRP) sont ensuite utilisées en régime hors-équilibre dans deux bruleurs afin de réaliser des études fondamentales et appliquées en combustion assistée par plasma. Dans le bruleur Mini-PAC, près des électrodes, la température du plasma augmente de 1500 K en raison d’une “lente” formation d’un filament. Les décharges NRP accélèrent la réactivité de la flamme comme le montrent l’augmentation de la densité des espèces excitées dans le plasma et l’enrichissement global de la flamme en OH. Dans le bruleur SICCA, les décharges NRP réduisent l’instabilité des flammes oscillantes (méthane, n-heptane et dodécane) et étendent ainsi leur limite d’extinction pauvre.

This thesis analyzes the formation and recombination of fully ionized plasmas generated by nanosecond high-voltage pulses: the thermal sparks. Their formation occurs in five stages: (i) partial ionization of the plasma channel, (ii) creation of a fully ionized filament at the cathode, (iii) formation of a fully ionized filament at the anode, (iv) propagation of these filaments toward the middle of the interelectrode gap, and (v) merging of the filaments. The filaments are characterized by intense N+ and continuum emission. We show experimentally that their electron number density increases from 1017 to 1019 cm-3 in less than 0.5 ns. A kinetic mechanism, including the ionization of N and O excited states, successfully describes this 0.5-ns transition. After full ionization is reached, the plasma reaches thermal and chemical equilibrium and the electron number density decreases due to isentropic expansion. Then, Nanosecond Repetitively Pulsed (NRP) discharges in the non-thermal spark regime are applied in two burners for fundamental and practical studies of Plasma-Assisted Combustion (PAC). In the mini-PAC burner, the plasma temperature increases by 1500 K near the electrode due to a “slow” thermal spark formation. The NRP discharges enhance the reactivity of the entire flame, as shown by (i) the growth of the active species in the discharge vicinity and (ii) the increase of the OH number density in the entire flame. In the SICCA burner, NRP discharges reduce the instability of oscillating flames (in methane, heptane, and dodecane), and hence extend their lean blow out limit.