Transferts radiatifs dans les plasmas thermiques air cuivre

Radiative transfert in air copper thermal plasmas

• Auteur / Autrice : Elisé Raveloharinjaka
• Direction : Yann Cressault, Minoson Sendrahasina Rakotomalala
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Ingénierie des Plasmas
• Date : Soutenance le 06/10/2022
• Etablissement(s) : Toulouse 3 en cotutelle avec Université d'Antananarivo
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Génie électrique, électronique, télécommunications et santé : du système au nanosystème (Toulouse)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Plasma et Conversion d'Energie (Toulouse ; 2007-....)
• Jury : Président / Présidente : Jean-Marc Bauchire
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Géraldine Faure, Patrick Tina Roge
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Hery-Tiana Rakotondramiarana

Mots clés

Mots clés contrôlés

Cuivre

Lignes électriques aériennes

Plasmas chauds

Mots clés libres

Plasma thermique

Rayonnement

Air cuivre

Coefficient d'émisssion nette

Coefficients moyen d'absorption

Divergence du flux radiatif

Thermal plasma

Radiative transfert

Air copper

Net Emission Coefficient

Mean Absorption Coefficient

Divergence of the Radiative Flux

Résumé

Les travaux de cette thèse ont pour objectif l'étude des propriétés des arcs électriques établis sur les lignes haute-tension à Madagascar, travaux réalisés dans le cadre d'une collaboration entre le laboratoire LAPLACE (Laboratoire Plasma et Conversion d'Energie) de l'Université Paul Sabatier de Toulouse (France) et et l'IME (Institut pour la Maitrise de l'Energie) de l'Université d'Antananarivo (Madagascar). Le climat tropical humide de Madagascar et la vieillesse du réseau électrique malgache forment un terrain propice à l'apparition d'arcs électriques à l'origine de dégâts sur le réseau électrique comme des incendies, la coupure du courant, l'altération des câbles et les matériaux environnants en grande partie dus aux énergies transmises par leur rayonnement. Etudier ce rayonnement permet alors de mieux caractériser ces arcs en vue de limiter leurs dangers. Les installations électriques étant principalement composées de cuivre, l'arc électrique créé dans l'air engendre un plasma thermique air-cuivre dont l'étude du rayonnement fait l'objet de cette étude. L'étude du rayonnement émis par ces plasmas thermiques air-cuivre s'effectue au travers du calcul de la luminance et de la divergence du flux radiatif, obtenues par la résolution de l'Equation de Transfert Radiatif (ETR). Cette résolution s'avère complexe et couteuse en temps de calcul étant donné la complexité du mélange étudié (variation de la composition du milieu dans l'espace et le temps, variation de la température, de la pression et des dimensions du plasma). Ce travail résout donc cette ETR pour quelques profils de température, quelques pressions, compositions et tailles fixées, selon trois méthodes : résolution directe en 1D, 2D et 3D qui sert de ''référence'' et de validation par rapport aux deux autres méthodes dégénérées que sont le Coefficient d'Emission Nette (CEN) et la méthode des Coefficients Moyen d'Absorption (CMAs). La méthode du CEN suppose un plasma isotherme et permet d'évaluer les émissions des zones chaudes, c'est-à-dire, au coeur du plasma. En revanche, la méthode basée sur les CMAs suppose un corps gris, c'est-à-dire, une absorption constante dans différents intervalles de longueurs d'onde bien établis, et permet d'évaluer les émissions dans les zones intermédiaires et périphériques du plasma. Cinq moyennes ont été utilisées et comparées : la moyenne classique, la moyenne de Planck, la moyenne de Planck modifiée, la moyenne Rosseland et la moyenne hybride Planck-Rosseland. La validité des méthodes dégénérées est effectuée par la comparaison de leurs résultats (luminance et divergence du flux radiatif) avec la résolution directe pour différentes pressions, profils de températures, et proportions air-cuivre, et qui permet également de mettre en évidence les avantages et inconvénient de chacune d'elles.

The objective of this thesis is the study of the proprieties of electric arc established on high voltage lines in Madagascar, works carried out as part of the collaboration between LAPLACE (Laboratoire Plasma et Conversion d'Energie) from the Université Paul Sabatier of Toulouse (France) and the IME (Institut pour la Maitrise de l'Energie) from the Université d'Antananarivo (Madagascar) laboratories. The humid tropical climate and the aging of malagasy electricity network form a fertile ground for the appearance of electric arcs causing damage to the electricity network such as fires, power cuts, alteration of cables and the surrounding materials due to the energies transmitted by their radiation. Studying this radiation then makes it possible to better characterize these arcs in order to limit their dangers. Since electrical installations are mainly composed of copper, the electric arc created in the air generates an air-copper thermal plasma whose its radiation study is the subject of this study. The study of the radiation emitted by theses air-copper thermal plasmas is done by calculating the luminance and the Divergence of the Radiative Flux (DFR), obtained by solving the Radiative Transfer Equation (RTE). The resolution of this equation is complexe and time consuming because of the complexity of the mixture (variation of the composition of the environment in space and time, variation of the temperature, the pression and the dimension of the plasma). So, this work solves the RTE for some temperature profile, pressures, compositions and sizes according to three methods : exact resolution in 1D, 2D and 3D which serve as a ''reference'' and validation for the other two degenerate methods : Net Emission Coefficient (NEC) and Mean Absorption Coefficient (MAC) methods. The NEC method assumes an isothermal plasma and allows to evaluate the emissions from hot zones : the heart of the plasma. However, the MAC method assumes a gray body : a constant absorption in different well-defined wavelenght intervals and allows to evaluate the emission in the intermediate and peripheral zones of the plasma. Five means are used and compared : the classic mean, the Planck mean, the Planck modified mean, the Rosseland mean and the hybrid Planck-Rosseland mean. The validity of the degenerated methods is carried out by comparing their results (luminance and DRF) with the direct resolution for different pressures, temperature profile, air-copper proportion which allows also to highlight the advantages and disadvantages of each of them.