Étude des charges, décharges et migrations de particules

Étude des charges, décharges et migrations de particules dans un flux
gazeux. Application à la modélisation d’un procédé de précipitation
électrostatique.
Nom, Prénom : GAYCHET Sylvain Contrat : CFR
Responsable CEA : Florent LEMONT Organisme co-financeur :
Directeur universitaire : Jean PAILLOL Université d'inscription : Université de PAU
(UPPA)
Laboratoire d’accueil : LGE – Équipe DEM École doctorale : ED 211
Date de début de thèse : 12/11/07 Master : Ingénierie des Systèmes Industriels
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I. Introduction
Ce travail de thèse porte sur l'étude des décharges couronnes négatives dans l'air à
pression atmosphérique intervenant dans un procédé d'électrofiltration développé par le CEA.
L'objectif de cette étude est de comprendre l'influence des phénomènes inhérents à
l'électrofiltration sur la décharge, en particulier l'alimentation utilisée, la température et la présence
des poussières, dans le but d'améliorer ce procédé. Ce travail est basé sur une étude
expérimentale ainsi que sur des simulations numériques de la décharge négative dans des
conditions proches du fonctionnement de l'électrofiltre pilote du CEA.
II. Expérimentations
Une première campagne de mesures vouée à l'étude
fondamentale de la décharge couronne négative par
Spectroscopie à Corrélation Croisée (Cross Correlation
Spectroscopy - CCS) a été effectuée en collaboration avec
l'I.N.P. de Greifswald – Allemagne. Cette technique [1]
permet de mesurer l'intensité lumineuse d'une décharge à
partir d'une méthode de comptage de photons (single
photon counting). L'évolution spatio-temporelle de
l'émission du premier système négatif (λ=391,5nm -
) et du
second système positif (λ=337,1nm -
) de l'azote
d'une décharge couronne négative a ainsi pu être mesurée
(Figure 1 (b) et (c)). Ces deux réactions, les plus
lumineuses lors de la décharge, correspondent à 2 niveaux
différents d'excitation, à fort et faible champ électrique.
L'évolution spatio-temporelle des intensités lumineuses du
premier système négatif et du second système positif peut
être, en première approximation, interprétée comme
l'évolution de la densité électronique et du champ électrique
respectivement et permet ainsi une description qualitative
du développement de la décharge. Ces premières mesures
associées à la mesure du courant de décharge (Figure 1
(a)) permettent de valider les hypothèses émises sur les
phases d'initiation et de propagation de la décharge
couronne négative obtenues en simulation numérique :
Les 10èmes Journées Scientifiques de Marcoule
7 – 10 juin 2010
a.
b.
c.
Figure 1 : Évolution temporelle du courant
de décharge (a).
Évolution spatio-temporelle du premier
système négatif -FNS- (b) et du second
système positif -SPS- (c).

• la décharge s'amorce dans l'espace inter-électrodes à proximité de la cathode,
• une onde d'ionisation se propage vers chacune des électrodes, le maximum d'ionisation se
produisant à la cathode. Ce maximum coïncide avec le maximum du courant de décharge.
III. Simulation numérique d'une décharge couronne négative (2D)
Un code de calcul 2D axisymétrique à maillage structuré déformé a été développé de façon
à prendre en compte la géométrie d'électrode pointe-plan et permettant ainsi de simuler l'initiation
et la propagation d'une décharge négative [2]. Les particules polluantes ont été intégrées au code
de calcul en considérant, d'une part, une densité homogène de particules dans l'intervalle afin de
modéliser leurs phénomènes de charge et leur influence sur la décharge négative. D'autre part, le
dépôt formé par les poussières sur l'électrode collectrice (anode/plan) a été modélisé, en première
approximation, par la présence d'un diélectrique parfait ou comprenant une cavité sur l'électrode
considérée.
L'exemple de simulation présenté est effectuée dans l'air à pression atmosphérique sur un
espace inter-électrodes de 1 cm et une tension appliquée de 25kV. La Figure 2 représente
l'évolution spatio-temporelle de la densité électronique et du champ électrique lors de la
propagation d'une décharge négative de la pointe/cathode vers le plan/anode.
Figure 2 : Contours de densité électronique [cm-3] et de champ électrique axial [V.cm-1] d'un streamer
négatif après 1ns - après 5ns
IV. Conclusion
Les mesures effectuées par CCS ont permis de valider les hypothèses émises sur les
phases d'initiation et de propagation de la décharge couronne négative obtenues en simulation
numérique. D'autre part, les particules polluantes ont été intégrées au code de calcul. La charge
de ces poussières par les particules chargées du plasma a été modélisée par les lois de charge
utilisées dans les aérosols. Les résultats de simulations, en accord avec des résultats
expérimentaux [3], ont montré que si la présence des poussières dans l'intervalle, aux densités
considérées, ne semble pas influer sur la décharge, le rôle des couches de poussières formées
sur les électrodes est à prendre en considération, en particulier les phénomènes induits par ces
couches sur l'électrode collectrice (plan/anode).
[1] T. Hoder and al., J. Phys. D, 41 (2008) 035212 (9pp)
[2] S. Gaychet and al., Hakone XI Proceedings (2008) pp 203-207
[3] S. Gaychet and al., Proceedings of the 17th Colloquium on Plasma Processes (2009) p 241
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7 – 10 juin 2010