Caractérisation expérimentale et théorique d'un arc électrique impulsionnel éclatant dans un liquide

Experimental and theoretical characterization of a pulsed electric arc in a liquid

• Auteur / Autrice : Julien Thouin
• Direction : Jean-Jacques Gonzalez, Pierre Freton
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Ingénierie des Plasmas
• Date : Soutenance le 14/12/2023
• Etablissement(s) : Toulouse 3
• 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 : Examinateurs / Examinatrices : Laurent Pécastaing, Olivier Eichwald
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Stéphane Pellerin, Nelly Bonifaci

Mots clés

Mots clés contrôlés

Technique des plasmas

Décharges électriques

Arc électrique

Mots clés libres

Arc électrique

Plasma thermique

Spectroscopie

Eau

Puissances pulsées

Haute tension

Electric arc

Thermal plasma

Spectroscopy

Water

Pulsed power

High voltage

Résumé

Les applications des décharges d'arcs impulsionnelles dans l'eau sont nombreuses : fracturation de roches, formage électrohydraulique de pièces métalliques ou encore traitement de l'eau. Ces applications de puissances pulsées requièrent, pour beaucoup, des ondes de pression intenses avec un dépôt d'énergie sur des temps inférieurs à la milliseconde. Dès lors les contraintes et verrous technologiques sont nombreux : d'ordre électrique avec l'emploi d'alimentations souvent haute tension mais aussi l'usure du matériel associé. On pense notamment à l'érosion des électrodes. Dans ce contexte, la caractérisation de l'arc électrique impulsionnel dans l'eau et des mécanismes associés est essentielle à l'optimisation de ces dispositifs. Les principaux phénomènes associés à ce type de décharges sont une onde de pression ainsi qu'une émission de rayonnement intense. Ces mécanismes et leurs dépendances aux paramètres de la décharge restent mal compris. C'est dans ce cadre qu'ont été mis en place, dans un premier temps, des moyens expérimentaux de caractérisation d'une décharge avec un temps caractéristique de la dizaine de millisecondes. Ceci afin de maîtriser au mieux la chaîne expérimentale et d'obtenir une caractérisation pouvant servir par la suite à la compréhension du milieu et à la validation d'éventuels modèles. L'arc électrique est généré par la décharge de capacités chargées à quelques centaines de volts pour une énergie stockée de l'ordre du kJ. Des mesures de la température du plasma par la méthode du diagramme de Boltzmann sur des raies d'oxygène atomique ont été réalisées. La densité électronique du plasma a également été mesurée à partir de l'élargissement des raies d'émission Halpha et Hbeta par effet Stark. Ces mesures sont résolues temporellement sur la durée d'une décharge et permettent notamment d'avoir une estimation de la pression dans le milieu. Des acquisitions avec une caméra rapide de la dynamique de la bulle de vapeur générée et du plasma thermique avec un filtre optique passe bande ont aussi été réalisées. Dans un second temps, afin de se rapprocher des conditions expérimentales typiques des applications de décharges électro-hydrauliques pulsées (énergies similaires mais temps plus courts) un dispositif expérimental haute tension, faible inductance a été développé. Ce dispositif permet l'amorçage de décharges par surtension dans l'eau. L'alimentation et la décharge ont été caractérisées électriquement et, pour l'arc électrique, sur la base des mesures mises en place sur les temps plus long, de l'imagerie rapide et une prospection sur le spectre émis ont été réalisées.

The applications of pulsed arc discharges in water are numerous: electrohydraulic forming of metal parts, rock fracturing, or water treatment. Many of these pulsed power applications require intense pressure waves with energy deposition in times shorter than a millisecond. Consequently, there are numerous technological constraints and challenges, both electrical in nature due to the use of often high-voltage power supplies and associated equipment wear, particularly electrode erosion. In this context, the characterisation of pulsed electric arcs in water and their associated mechanisms are essential for optimising these devices. The primary phenomena associated with such discharges are pressure waves and intense radiation emission. However, the mechanisms and their dependence on discharge parameters remain poorly understood. To address this, experimental means have been implemented, initially characterising a discharge with a characteristic time in the range of ten milliseconds. This is aimed at better understanding the experimental setup and obtaining characterisation data that can be used to comprehend the environment and validate potential simulation models. The electric arc is generated by discharging capacitors charged to several hundred volts, with an energy stored of the order of kilojoules. Measurements of plasma temperature using the Boltzmann plot method on atomic oxygen lines have been carried out. Additionally, electron density of the plasma was measured from the Stark broadening of Halpha and Hbeta emission lines. These measurements are temporally resolved over the duration of the discharge, allowing for an estimation of the pressure in the thermal plasma. Rapid camera acquisitions of the generated vapour bubble's dynamics and thermal plasma with a band-pass optical filter have also been performed. In a second stage, to better approach typical experimental conditions of pulsed electrohydraulic discharge applications (similar energies but shorter times), a high-voltage, low inductance experimental setup has been developed. This setup enables discharge initiation through voltage surges in water. The power supply and discharge have been electrically characterised, and, for the electric arc, based on the measurements set up for longer times, rapid imaging and a survey of the emitted spectrum have been carried out.