IV. Résultats du modèle MHD

présentée et soutenue publiquement par
Christophe REHMET
le 24 septembre 2013
Étude théorique et expérimentale d’une torche plasma triphasée associée à un
procédé de gazéification de matière organique.
Ecole doctorale n° 432 : Sciences des Métiers de l’ingénieur
Doctorat ParisTech
T H È S E
pour obtenir le grade de docteur délivré par
l’École nationale supérieure des mines de Paris
Spécialité “Énergétique et procédés”
Directeur de thèse : Laurent FULCHERI
François CAUNEAU
Co-encadrement de la thèse : Frédéric FABRY
Vandad ROHANI
Jury
M. Dominique GOBIN, Directeur de Recherche, ECP-CNRS Président
M. Alain GLEIZES, Directeur de Recherche, LAPLACE-CNRS Rapporteur
M. Jean-Marie BARONNET, Professeur des Universités, Université de Limoges Rapporteur
M. Jean Jacques GONZALEZ, Directeur de Recherche, LAPLACE-CNRS Examinateur
M. Juan Pablo TRELLES, Professeur Assistant, University of Massachusetts Lowell Examinateur
M. François CAUNEAU, Maître de Recherches, MINES ParisTech Examinateur
M. Laurent FULCHERI, Maître de Recherches, MINES ParisTech Examinateur
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Mines ParisTech
PERSEE - Centre Procédés, Energies Renouvelables et
Systèmes Energétiques
1 rue Claude Daunnese 06904 Sophia Antipolis CS 10207

"Point n'est besoin d'espérer pour entreprendre,
ni de réussir pour persévérer."
Guillaume Ier d'Orange-Nassau
(Merci Jean Marie Baronnet de m’avoir insufflé cette citation).
Pour mon grand père mineur

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Remerciements
Avant tout, je tiens à remercier mes encadrants : Laurent Fulcheri, François Cauneau, Frédéric Fabry,
Vandad Rohani de m’avoir offert l’opportunité de faire cette thèse. Avec le recul, je réalise à quel
point ces 3 années ont été intenses et parfois difficiles mais aussi très stimulantes et enrichissantes.
Je tiens également à remercier les membres du jury de m’avoir apporté des conseils très avisés afin
d’améliorer quelques points de mon manuscrit de thèse. Merci jean Marie Baronnet, Alain Gleizes,
Jean Jacques Gonzalez, Dominique Gobin, Juan Pablo Trelles.
Je remercie également toutes les personnes avec lesquelles j’ai pu améliorer mon travail. Alexandre
Lebouvier qui m’a inculqué son savoir et surtout initié au logiciel Code Saturne ainsi qu’à son
utilisation, Clarisse Delalondre et Damien Borel pour leurs aides et leurs apports sur un point délicat
de la modélisation : à savoir insérer les électrodes dans le domaine de calcul. Je remercie également
Frederic Fabry et Noel Traisnel pour leurs apports sur le développement et l’utilisation du dispositif
expérimental. Enfin, je remercie Sabri Takali qui m’a grandement aidé à améliorer et à corriger mes
articles ainsi que Laurent Fulcheri. Laurent et François Cauneau vous avez su me guider et m’apporter
la lumière dans les moments critiques tout comme Fréderic Fabry.
Je remercie également toutes les personnes sans lesquelles notre travail de recherche ne pourrait
avancer faute de charges administratives et techniques. Merci donc à : Brigitte, Lylianne, Christine,
Marie-Jeanne, Roseline, Lucien, Manu et Laurent !
Enfin, je tiens à remercier toute ma famille, Karen, mon chat pour vos encouragements. Merci aussi à
mes amis du laboratoire pour nos discussions techniques et spirituelles autour d’un café ou dans notre
petit open space : Benjamin, Arthur, Zhipeng, Didier, Pierre-Yves, Neils, Alexis, Massiel, Yassin,
Touria, Christophe, Sabri, William, Fiona et bien d’autres trop nombreux pour être tous cités ici !

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RÉSUMÉ : Les torches à arcs plasma sont actuellement utilisées dans de nombreuses applications
industrielles pour atteindre des températures nettement supérieures (> 5 000 K) à celle obtenues par la
combustion (3 000 K max). Une technologie plasma triphasée avec des électrodes en graphite est en
cours de développement au Centre PERSEE MINES ParisTech. Cette technologie diffère sensiblement
des technologies à courant continu traditionnelles et vise à dépasser certaines limites des systèmes
actuels en termes de robustesse, de coûts d’équipement et d’exploitation pour des applications liées à
la conversion et la valorisation de biomasse et déchets. Dans le but d’améliorer la compréhension des
phénomènes physiques instationnaires intervenant dans les décharges triphasées, une étude menée en
parallèle sur le plan théorique et sur le plan expérimental a été conduite en conditions non réactives
(azote et gaz de synthèse). Sur un plan expérimental, cette étude s’est appuyée sur des analyses
réalisées avec une caméra ultra rapide (100 000 images par seconde) et l’analyse des signaux
électriques. Sur un plan théorique, cette étude a consisté à développer un modèle Magnéto-Hydro-
Dynamique (MHD) 3D instationnaire de la zone d’arc dans l’environnement du logiciel Code
Saturne® et à effectuer une étude paramétrique basée sur le courant, la fréquence et le débit de gaz
plasma. Deux configurations : électrodes coplanaires et électrodes parallèles ont été étudiées. Cette
étude a permis de mettre en évidence l’influence des phénomènes électromagnétiques et
hydrodynamiques sur le déplacement de l’arc. Dans la configuration coplanaire, les jets aux électrodes
semblent jouer un rôle prépondérant sur le mouvement des arcs, les transferts de chaleur dans l’espace
inter-électrodes et l’amorçage des arcs. Dans la configuration parallèle, le mouvement des canaux
chauds semble être le paramètre dominant. La confrontation des résultats théoriques et expérimentaux
a montré un très bon accord à la fois au niveau du mouvement des arcs et des signaux électriques.
ABSTRACT : Arc plasma torches are widely used in industrial applications to reach very high
temperature (> 5 000 K). A 3-phase AC plasma technology with consumable graphite electrodes is
under development at PERSEE MINES - ParisTech. This technology noticeably differs from the
classical DC plasma torches and aims at overcoming a number of limits of plasma systems in terms of
reliability, equipment and operating costs. In order to improve the understanding of the unsteady
physical phenomena in such plasma systems, a theoretical and experimental study is conducted under
non reactive condition (nitrogen, syngas). Experimental study is based on high speed video camera
(100 000 frames per second) and electrical signal analyses. Theoretical analysis is based on 3D
unsteady Magneto-Hydro-Dynamic (MHD) model of the arc zone using CFD software
Code_Saturne®, by a parametric study based on current, frequency and plasma gas flow rate influence.
Two configurations: coplanar and parallel electrodes are studied. These studies highlight the influence
of electromagnetic and hydrodynamic phenomena on the arc motion. In coplanar electrode
configuration, electrode jets appear to be the dominant parameter on the arc motion, heat transfer and
arc ignition. In the parallel electrodes configuration, the motion of the hot channel seems to be the key
parameter. Comparison between MHD modeling and experimental results shows a fair correlation,
both in accordance with the arc behavior and the electrical waveform.