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 Responsable CEA : Florent LEMONT Directeur universitaire : Jean PAILLOL Laboratoire d’accueil : LGE – Équipe DEM Date de début de thèse : 12/11/07 Contrat : CFR Organisme co-financeur : Université d'inscription : Université de PAU (UPPA) École doctorale : ED 211 Master : Ingénierie des Systèmes Industriels -------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 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. a. b. 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 second c. système positif ) et (λ=337,1nm du - ) 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 Figure 1 : Évolution temporelle du courant respectivement et permet ainsi une description qualitative de décharge (a). du développement de la décharge. Ces premières mesures Évolution spatio-temporelle du premier associées à la mesure du courant de décharge (Figure 1 système négatif -FNS- (b) et du second (a)) permettent de valider les hypothèses émises sur les système positif -SPS- (c). 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 • 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 Les 10èmes Journées Scientifiques de Marcoule 7 – 10 juin 2010