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Généralités sur les plasmas thermiques
Le plasma est le quatrième état de la matière la plus répandue que l’on trouve à l’état naturel dont il constitue plus de 98% de l’univers ou bien à l’état artificiel, créé par l’homme. C’est un milieu gazeux contenant des molécules, des atomes, des photons, des ions et des électrons, dans leurs états fondamentaux ou états excités à condition que les charges présentes s’équilibrent de façon à ce que le milieu soit électriquement neutre. Les plasmas thermiques sont caractérisés par la présence de nombreuses espèces excitées et ionisées qui sont principalement responsables du fort pouvoir enthalpique du gaz, le conduisant à des températures de l’ordre de dizaines de milliers de kelvins [9]. On rencontre généralement ce type de plasma à une pression voisine de la pression atmosphérique, sous la forme d’un arc électrique.
Modèles d’équilibre thermodynamique
Ils existent plusieurs types d’équilibre thermodynamique au niveau des plasmas thermiques :
➜ L’équilibre thermodynamique complet (ETC) : le plasma se caractérise par une seule température pour toutes les espèces qui le compose. Dans un milieu à l’équilibre thermodynamique complet, les phénomènes collisionnels et radiatifs sont micro-réversibles. Chaque processus est contrebalancé par son inverse et une seule température est définie pour caractériser le milieu. Du fait de ces propriétés, un certain nombre de lois est vérifié. Ces lois permettent de donner tous les détails des populations et ne dépendent que de l’énergie de chaque élément considéré. Dans ces conditions, les lois d’équilibre sont valables en tout point, soit : la fonction de distribution de Maxwell-Boltzmann pour les vitesses des particules, la loi de Boltzmann pour le contrôle du peuplement des niveaux excités, l’équilibre chimique basé sur la loi d’action de masse et la loi de Planck qui donne le rayonnement au niveau du plasma. Mais ce modèle d’équilibre est pratiquement inexistant pour les plasmas de laboratoire car la condition de micro-réversibilité de tous les processus dus aux interactions des particules, n’est jamais satisfaite [10] ;
➜ L’équilibre thermodynamique local (ETL) : le plasma est considéré comme un milieu optiquement mince. Il y a la réabsorption partielle du rayonnement à une certaine longueur d’onde, donc, une grande part du rayonnement s’échappe. Les processus radiatifs sont alors négligeables par rapport aux processus collisionnels [10]. D’où, toutes les lois dans l’ETC à l’exception de celle de Planck, sont valables localement. Seule la description de la colonne du plasma est pertinente. Le milieu est alors représenté par une température ;
➜ L’équilibre thermodynamique local partiel (ETLP) : ce type d’équilibre thermodynamique apparait lorsque la densité électronique dans le plasma est insuffisante pour compenser les désexcitations radiatives spontanées qui sont de plus en plus grand lorsqu’on se rapproche de l’état fondamentale. Et en simultanée en cela, il y a la diminution de la section efficace d’excitation due à l’augmentation de la différence d’énergie entre deux niveaux consécutifs [10]. Une surpopulation du niveau fondamental apparaîtra alors, et tous les premiers états excités seront sous peuplés ;
➜ Le plasma hors équilibre thermique : il est caractérisé par l’existence de plusieurs températures dans le milieu. L’énergie moyenne des électrons est beaucoup plus élevée que celui des ions ou des neutres. Le transfert d’énergie des électrons vers les particules lourdes n’est pas suffisant pour amener la température des ions et des atomes à une valeur voisine de celle des électrons. On a alors une grande différence de température entre les ions et les particules lourdes puisque, la température électronique peut être de l’ordre de 1 à 10eV alors que la température des ions et des neutres reste de l’ordre de 0,025 à 0,05eV [11].
Principe d’amorçage de l’arc
Pour assurer l’amorçage d’un arc électrique, un couple U*I suffisant est nécessaire c’est-àdire, une tension suffisante et une intensité suffisante. De plus, tout phénomène capable de favoriser l’ionisation du gaz dans la colonne gazeuse favorise l’amorçage tel que le chauffage artificiel ou non de la cathode ; l’emploi d’une décharge auxiliaire de haute fréquence et de haute tension (étincelle pilote). Pour ceux, on peut distinguer trois grandes méthodes pour produire l’amorçage d’un arc électrique entre deux contacts dans le vide ou dans la colonne gazeuse située entre eux : le passage continu de la décharge luminescente anormale à la décharge d’arc appelé l’amorçage par transition continue, l’amorçage par surtension et l’amorçage par contact [12].
➜ Amorçage par transition continue : c’est le passage continu d’une décharge luminescente à la décharge d’arc. Il faut que le système soit au départ dans un état de décharge luminescente. La cathode est recouverte par le plasma de décharge. L’apparition de l’arc est conditionnée par celle des phénomènes thermiques. Si on augmente l’intensité, la tension d’extraction des électrons augmente et la température s’élève localement, et l’émission s’effectue ici à partir d’une région très localisée, et souvent très mobile, appelée le spot cathodique ;
➜ Amorçage par surtension : on a un amorçage par surtension lorsque la tension disruptive entre deux conducteurs est atteinte ou dépassée. La multiplication des électrons se fait alors par l’effet d’avalanche, et une décharge s’amorce entre les deux électrodes. L’arc électrique se déclenche alors s’il n’y a pas limitation du courant par la source ;
➜ Amorçage par contact : le déclenchement d’un arc électrique peut se produire par ouverture d’un contact traversé par un courant suffisant. Cela se produit à cause des irrégularités de la surface entre les deux contacts. Lors de l’ouverture du contact le courant passe par un contact très fin entrainant une densité de courant très élevée. L’énergie dissipée par effet Joule conduit à une augmentation considérable de la température locale. Le point d’ébullition du métal est alors atteint et il se forme un pont fondu métallique entre les deux contacts. Lors de la rupture de ce pont, qui prend la forme d’une explosion, les conditions de formation d’un arc électrique sont réunies.
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Table des matières
INTRODUCTION
CHAPITRE I : ÉTAT DE L’ART
1. Généralités sur les plasmas thermiques
1.1. Modèles d’équilibre thermodynamique
1.2. Principe d’amorçage de l’arc
1.3. Mode de génération
1.4. Domaines et dispositifs d’application
2. Les résultats expérimentaux à notre disposition
2.1. Le résultat expérimental en 1D
2.2. Le résultat expérimental en 2D
CHAPITRE II : MATÉRIELS ET MÉTHODES
1. Le code ARB
1.1. Les logiciels nécessaires pour le fonctionnement de ARB
1.2. La simulation sur ARB
2. Théorie de base des plasmas thermiques
2.1. Les hypothèses générales
2.2. Les équations de conservations
2.2.1. Équation de conservation de masse
2.2.2. Équation de conservation de la quantité de mouvement
2.2.3. Équation de conservation de l’énergie
2.2.4. Équation de conservation du courant
2.3. La méthode des volumes finis
3. Modèle des plasmas à étudier
3.1. Le modèle en une dimension
3.1.1. Hypothèses particulières et conditions aux limites
3.1.2. Les équations utilisées
3.2. Le modèle bidimensionnel
3.2.1. Domaine de calcul
3.2.2. Hypothèses particulières et conditions aux limites
3.2.3. La procédure de calcul en 2D
4. Les données de base
4.1. Les coefficients de transport
4.1.1. La conductivité thermique
4.1.2. La conductivité électrique
4.1.3. La viscosité
4.2. La densité de masse
4.3. Le rayonnement
CHAPITRE III : RÉSULTATS ET DISCUSSIONS
1. Le modèle en 1D
2. Le modèle en 2D
2.1. L’équation de conservation du courant
2.2. L’équation de conservation de l’énergie
2.3. L’équation de conservation de la quantité de mouvement
2.4. Influence de l’utilisation du terme convectif sur l’équation de l’énergie
2.5. Vérification du programme d’interpolation
2.6. Prise en compte des données de base dépendante de la température
2.7. Validation du modèle en 2D
CONCLUSION
BIBLIOGRAPHIE
ANNEXES
