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Thèse présentée pour l'obtention du titre de
DOCTEUR DE L'UNIVERSITÉ PARIS-SUD XI
Spécialité : Physique des Plasmas
Ecole doctorale : Ondes et Matière
par
Nicolas MOREAU
Décharge nanoseconde dans l'air et en mélange air/propane
Application au déclenchement de combustion
Directeur de thèse : Stephane PASQUIERS
Soutenue le 01 juillet 2011 devant le jury :
Rapporteurs : M. Pierre VERVISCH
M. Jean-Marc BAUCHIRE
Examinateurs : M. Khaled HASSOUNI
M. Tibériu MINEA
M. Stéphane PASQUIERS
Invité : M. Pierre TARDIVEAU
tel-00633260, version 1 - 18 Oct 2011tel-00633260, version 1 - 18 Oct 2011A mon pere
tel-00633260, version 1 - 18 Oct 2011Remerciements
Je tiens tout d’abord a remercier le directeur de cette these, Stephane Pasquiers, ainsi
que mon principal encadrant en physique des decharges, Pierre Tardiveau, qui ont tous
les deux toujours su ^etre presents et m’aider lorsque j’en avais besoin durant ce travail. Ils
m’ont apporte leur expertise, en modelisation physico-chimique et au cours de la realisation
et l’exploitation du generateur nanoseconde. Nos echanges scienti ques ont toujours ete
constructifs et tres enrichissants.
Mes remerciements s’adressent aussi a tout les membres de l’equipe DIREBIO notam-
ment Lionel Magne et Nicole Blin-Simiand, qui m’ont fourni une aide precieuse lors de la
mise au point du modele physico-chimique. Mais aussi Francois Jorand et Christian Postel
sans lesquels la conception du generateur aurait ete bien plus laborieuse ainsi que Pascal
Jeanney. Bien d’autres ont par ailleurs su gratier ce travail d’une aide ponctuelle.
Je remercie tout particulierement Sabrina Bentaleb pour son aide fournie a tous les
niveaux et sa presence enjouee en depit de la situation de travail complexe dans laquelle
nous nous sommes retrouve pendant un an. Le bient^ot legendaire poste de musique nous a
heureusement reuni autour de journees de travail bien agreables et joyeuses.
Merci a Armelle Cessou qui m’a permis d’utiliser son banc de spectroscopie Raman et
aussi a Amath Lo pour notre collaboration durant un mois entier au CORIA sans laquelle
cette these aurait ete amputee d’un chapitre important.
Bien d’autres personnes ont su me soutenir parfois sans le savoir car leur simple presence
m’a gratie d’un equilibre me permettant de mener ce travail au bout. Ainsi, merci a mes
amis et a mes formidables neveux. J’envoie une dedicace speciale aux membres du MIP. Je
n’oublierai aussi jamais les pauses cafes et les parties de foot regeneratrices.
1
tel-00633260, version 1 - 18 Oct 2011Table des matieres
Remerciements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1 Objectifs de cette etude 6
2 Declenchement de combustion assiste par plasma : Etat des lieux 9
2.1 Re exions sur l’e et des radicaux et de la temperature dans le declenchement
de combustion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
2.2 Mecanismes de claquage des decharges haute-pression . . . . . . . . . . . . 13
2.2.1 Mecanisme de Townsend . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
2.2.2 Decharge streamer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
2.2.3 Claquage : transition a l’arc, spark . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
2.3 Les dierents types de decharges transitoires et leur applicabilite au control^ e
et au declenchement de combustion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
2.3.1 La bougie et la bobine de Ruhmkor . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
2.3.2 Decharge a barriere dielectrique (DBD) appliquee a la modication
d’un ux d’hydrocarbures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
2.3.3 Arc entrave . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
2.3.4 Decharges RF . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
2.3.5 Decharges nano-impulsionnelles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
2.4 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
I Caracterisation de la decharge haute-tension nano-impulsionnelle 51
3 Etude et conception du generateur coaxial nano-impulsionnel 52
3.1 Generateur de Marx . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
2
tel-00633260, version 1 - 18 Oct 20113.1.1 De nition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
3.1.2 Principe de fonctionnement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
3.1.3 Commande du declenchement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
3.2 Ameliorations apportees au generateur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
3.3 Obtenir une impulsion carree : Les dierents types de commutateurs . . . . 58
3.3.1 Semi-conducteurs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
3.3.2 Commutateurs a gaz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
3.4 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
4 Methodologie experimentale 67
4.1 Mesures electriques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
4.1.1 Sondes de tension coaxiales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
4.1.2 Sonde de courant coaxiale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72
4.1.3 Gestion des delais de propagation de l’information lies a la position
des sondes et aux dierences de longueur des c^ables de mesure . . . 73
4.2 Imagerie rapide . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74
4.3 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75
5 La decharge diuse 76
5.1 Description generale des decharges obtenues . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76
5.2 Decharge di use et transition vers le regime lamentaire . . . . . . . . . . . 79
5.2.1 Phase propagative : glow spherique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79
5.2.2 Phase propagative : jonction au plan . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80
5.2.3 Phase de conduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84
5.3 Sur la physique de la decharge di use et la transition vers le regime lamentaire 85
5.3.1 Phase de propagation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86
5.3.2 Champs electriques intenses et generation d’electrons runaway . . . 92
5.3.3 Formation d’electrons germes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94
5.3.4 Jonction avec le plan et transition du regime di us vers le regime