Decharge nanoseconde dans l'air et en melange air / propane. Application au declenchement de combustion, Nanosecond discharge in air and air/propane mixtures. Application to combustion triggering

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Sous la direction de Stéphane Pasquiers
Thèse soutenue le 01 juillet 2011: Paris 11
Cette étude a pour objet les décharges haute-tension nanoseconde dans l'air à des pressions supérieures ou égale à la pression atmosphérique, en géométrie pointe-plan, et leur application au déclenchement de combustion en mélange air/propane. Ces décharges fortement hors-équilibres sont susceptibles de former une concentration significative d'espèces réactives et nous analysons leur capacité à allumer un mélange combustible. Le générateur conçu est capable de fournir une impulsion de tension carrée de 40 à 80 kV avec un front de montée raide de 3 ns. A la pression atmosphérique, nous observons un type de décharge peu commun dans les précédentes études expérimentales de décharges couronnes : la décharge diffuse. On retrouve une décharge de type filamentaire en augmentant la distance pointe-plan ou en augmentant la pression, toutes choses égales par ailleurs. Nous mettons en avant par imagerie CCD rapide deux phases de développement de ces décharges, également analysées à l'aide de simulations COMSOL. Pour une pression de 1 bar, l'application de ces décharges à un mélange combustible air/propane provoque un allumage à la pointe, avec une énergie minimale de décharge de 8±2 mJ. L’inflammation est obtenue pour une impulsion de tension unique, et la richesse minimum pour l’obtenir est 0,7. La question de la contribution de l'apport radicalaire en comparaison de l'apport thermique à l'apparition du noyau de flamme se pose. L'analyse paramétrique basée sur l'effet de l'atome d'oxygène sur les délais d'inflammation montre qu'il est nécessaire de convertir entre 0,5 et 0,8% d'oxygène moléculaire pour pouvoir allumer à délai équivalent et avec 100 K de moins par rapport à une auto-inflammation. Par ailleurs, la température du gaz à 1 mm de la pointe a été mesurée par spectroscopie Raman spontanée, en collaboration avec le laboratoire CORIA (Rouen) : cette température reste proche de l’ambiante pour une énergie de 30 mJ et une concentration de propane de 1,7 %. Ainsi les radicaux jouent probablement un rôle non négligeable dans le déclenchement de combustion par décharge nanoseconde mono-impulsionnelle.
-Plasma hors équilibre
-Combustion
-Décharge nanoseconde
-Spectroscopie Raman
-Générateur haute tension
The present study deals with high voltage nanosecond discharges in air at equal or higher pressure than the atmospheric pressure in a point-to-plane geometry, and how they apply to the combustion triggering in air/propane mixtures. These highly non-equilibrium discharges can produce a significant concentration of reactive species and we analyse their ability to ignite combustion. The generator can produce a pulse voltage of 40 to 80 kV with a steep rise front of 3 ns. We observe an uncommon type of discharge at atmospheric pressure: the diffuse discharge. The common filamentary discharge occurs when we increase the point-to-plane distance or the pressure, all else being equal. With fast CCD imaging, we are able to identify two phases in the discharge evolution, which are also analysed with COMSOL simulations. At pressure of 1 bar, discharges can ignite an air/propane mixture at the point, with a minimal discharge energy depositing of 8±2 mJ. Combustion occurs with a single voltage pulse, the minimal equivalence ratio being 0,7. This brings up the question of the contribution of the radical part as compared to the thermal part as the kernel of the flame. The parametric analysis based on the effect of the oxygen atom on the ignition periods show that it is necessary to convert between 0,5 and 0,8% of molecular oxygen in order to ignite with a similar time period and temperature reduced by 100K, as compared to auto-inflammation. Moreover the temperature of gas at 1 mm from the point has been measured by Raman Spectroscopy, in collaboration with the CORIA laboratory (Rouen): this temperature remains close to the ambient one for deposited energy of 30 mJ and a propane concentration of 1,7%. Thus radicals may play quite an important part in the triggering of combustion by nanosecond mono-pulse discharges.
-Non-equilibrium plasma
-Combustion
-Nanosecond discharge
-Raman spectroscopy
-High voltage generator
Source: http://www.theses.fr/2011PA112102/document
Publié le : mardi 1 novembre 2011
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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

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