Filamentary nanosecond surface dielectric barrier discharge at elevated pressures. Streamer-to-filamentary transition and application for plasma assisted combustion.

Résumé : Le plasma hors-équilibre est l’un des outils les plus attrayants et prometteurs pour de nombreuses applications assistées par plasma. La production d’espèces actives (espèces excitées, radicaux, photons de hautes énergies couvrant les spectres UV et IR) est importante pour le contrôle des gaz polluants, le traitement de surface, les actionneurs de plasma en aérodynamique, certaines applications biomédicales et, plus récemment, en médecine du plasma. Pour des densités de gaz atmosphérique et élevée, les applications des plasmas non-thermiques sont essentiellement l’allumage des mélanges combustibles ou, soi-disant, l’Allumage Assistée par Plasma (AAP). Les Décharges à Barrière Diélectrique de Surface (DBDS), largement utilisées pour le contrôle de l’écoulement aérodynamique, ont été récemment suggérées comme déclencheur de la combustion distribué dans différents systèmes. La possibilité d’utiliser les DBDS, comme allumeurs à des pressions allant jusqu’à plusieurs dizaines de bar, a été démontrée au cours des 4-5 dernières années. Au début de la thèse, l’ensemble des données expérimentales sur la décharge et l’allumage des combustibles par DBDS était assez pauvre, et insuffisant pour une analyse détaillée. Par conséquent, l’étude expérimentale de la DBDS à des densités atmosphérique et élevée de gaz, ainsi que l’étude du déclenchement de la flamme par DBDS nanoseconde (DBDSn) ont fait l’objet de cette thèse. Les résultats de la thèse sont présentés en trois parties. Dans la première partie, la DBDSn en mode mono-pulse est étudiée. Pour cela, l’analyse du dépôt d’énergie, du courant de la décharge, de la distribution de l’intensité et de la libération d’énergie qui en découle est effectuée. Les impulsions à polarités positive et négative sont utilisées pour générer la décharge surfacique, et la physique des streamers à polarités positive et négative y est discutée. Pour les deux polarités, la densité électronique et le champ électrique réduit sont estimés puis comparés avec des calculs et/ou des résultats obtenus par modélisation 2D. La deuxième partie est consacrée à l’étude des DBDSn à pression élevée (jusqu’à 12 bar) dans différents mélanges de gaz : N2, air, N2:CH4, N2:H2, Ar:O2, etc. Deux aspects morphologiquement différents de la DBDSn sont considérés : une DBD streamer « classique » à des pressions et tensions relativement basses, et une DBD filamentaire à des pressions et/ou tensions élevées. Les données quantitatives sur la décharge à haute pression (de 1 à 12 bar) sont obtenues par spectroscopie d’émission. Une description possible de la nature de cette filamentation est donnée. Enfin, la troisième partie présente les expériences d’allumage assistée par plasma utilisant des DBDSn à haute pression. Les morphologies de la décharge dans les mélanges combustibles pauvres (H2:air) et de l’allumage engendré sont étudiées. Puis, la comparaison entre allumage par décharge filamentaire et par streamer à la pression 1-6 bar est effectuée. Les données expérimentales sont analysées grâce à une modélisation de la cinétique de l’allumage assisté par plasma dans des champs électriques typiques des DBDSn (E/N = 100 Td). Une étude complexe des décharges à pression atmosphérique, à haute pression et de l’allumage permet d’obtenir une description détaillée de l’allumage à haute pression, distribué dans l’espace par le plasma hors-équilibre.
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Thèse
Plasma Physics [physics.plasm-ph]. Université Paris-Saclay, 2016. English. 〈NNT : 2016SACLX113〉
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Soumis le : vendredi 28 avril 2017 - 00:17:28
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Serge Shcherbanev. Filamentary nanosecond surface dielectric barrier discharge at elevated pressures. Streamer-to-filamentary transition and application for plasma assisted combustion.. Plasma Physics [physics.plasm-ph]. Université Paris-Saclay, 2016. English. 〈NNT : 2016SACLX113〉. 〈tel-01515691〉

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