MODELE FLUIDE D’ORDRE 2 EN 2D D’UNE DECHARGE LUMINESCENTE - application/pdf

REPUBLIQUE ALGERIENNE DEMOCRATIQUE ET POPULAIRE
MINISTERE DE L’ENSEIGNEMENT SUPERIEUR ET DE LA RECHERCHE SCIENTIFIQUE
UNIVERSITE DES SCIENCES ET DE LA TECHNOLOGIE D’ORAN
MOHAMED BOUDIAF
FACULTE DE GENIE ELECTRIQUE
DEPARTEMENT D’ELECTROTECHNIQUE
MEMOIRE
EN VUE DE L’OBTENTION DU DIPLOME DE
MAGISTER
SPEC IALITE : ELECTROTECHNIQUE
OPTION : INGENIERIE DES PLASMAS ET DES DECHARGES
Présenté par
ABDELJEBBAR ABDELKADER
Sujet du mémoire
MODELE FLUIDE D’ORDRE 2 EN 2D D’UNE DECHARGE
LUMINESCENTE
SOUTENU EN ……………2009, DEVANT LE JURY COMPOSE DE:
PRESIDENT
S.FLAZI
PROFESSEUR
USTO-MB
ENCADREUR
HAMID AZZEDINE
MAITRE DE CONFERENCES
USTO-MB
EXAMINATEUR
BELARBI WAHID
MAITRE DE CONFERENCES
USTO-MB
EXAMINATEUR
MESSAAD MOHAMED
MAITRE DE CONFERENCES
USTO-MB

TABLE DES MATIERES .
INTRODUCTION GENERALE……………………………1
CHAPITRE 1 : GENERALITES SUR LES DECHARGES ELECTRIQUES
INTRODUCTION……………………………………………………………………….4
1-1. QUATRIEME ETAT DE LA MATIERE …………………………………………….5
1-1-1. Plasma froid, qu’est ce que c’est ?...............................................................................5
1-1-2 .Comment générer un plasma ………………………………………………………..5
1-2 .ETAT DE L'ART……………………………………………………………….......7
1-2-1. Les plasmas hors équilibre ………………………………………………………….7
1-2-2. Les plasmas thermiques……………………………………………………………...7
1-3 .FONCTIONS D’UN PLASMA FROID ...................................................................8
1-4. LES PROCEDES DE FABRICATION ……………………………………………9
1-4-1. Bombardement ionique………………………………………………………………9
1-4-2. PACVD (dépôt chimique en phase vapeur assiste par plasma……………………...9
1-4-2.PVD (dépôt physique en phase vapeur d’un matériau cible à l’état solide………...10
1-5. DOMAINES D’APPLICATIONS ………………………………………………..10
1-6.QUELQUES APPLICATIONS INDUSTRIELLES ………………………………11
1-6-1.Applications en traitement de surface……………………………………………….11
1-6-2.Traitement des polluants gazeux……………………………………………………12
1-6-3.La stérilisation médicale ……………………………………………………………13
1-7.CONCLUSION ……………………………………………………………………14
CHAPITRE 2 : APERCU SUR LES DECHARGES LUMINESCENTES ET LEUR
MODELISATION
INTRODUCTION……………………………………………………………………...15
2-1.LES DECHARGES ELECTRIQUES…………………………………………………15

2-2.DECHARGE LUMINESCENTE………………………………………………….16
2-2-1.Caracteristique courant-tension……………………………………………………..16
2-2-2.Decharge non auto entretenue (zone AB)…………………………………………..17
2-2-3. La décharge de Townsend (zone BC)……………………………………………...17
2-2-4. La décharge luminescente (zone CDEFG)…………………………………………18
2-2-5. Arc électrique……………………………………………………………………….19
2-3. LES DIFFERENTES REGIONS LUMINEUSES D’UNE DECHARGE
LUMINESCENTE ……………………………………………………………….19
2-3-1. La région de la cathode……………………………………………………………..20
2-3-2. La lueur négative………………………………………………………………….21
2-3-3. La zone sombre de faraday………………………………………………………..21
2-3-4. La colonne positive………………………………………………………………...21
2-3-5. Région de l’anode…………………………………………………………………..21
2-4. FORMATION D’UNE DECHARGE……………………………………………..21
2-5. PHENOMENES PHYSICO-CHIMIQUES DANS UNE DECHARGE………….23
2-6. LA FONCTION DE DISTRIBUTION……………………………………………23
2-7. MODELES AUTO COHERENTS D’UN PLASMA FROID HORS EQUILIBRE ……..25
2-7-1. Modèles auto cohérents…………………………………………………………….25
2-7-2. Modèle électrique de la décharge…………………………………………………..26
2-7-3. Modèles fluides……………………………………………………………………28
2-8.L’EQUATION DE BOLTZMANN ET SES MOMENTS………………………...31
2-8-1. Modèle fluide d’ordre zéro………………………………………………………...32
2-8-2. Modèle fluide d’ordre un…………………………………………………………...33
2-8-3. Modèle fluide d’ordre deux……………………………………… …………33
2-8-4. Fermeture du système d’équations des moments………………… ………..….34
2-9.CONCLUSION………………… ………………………….………….....35
CHAPITRE 3 : DISCRETISATION DES EQUATIONS DE TRANSPORT EN 2D
INTRODUCTION……………………………………………………………………...36
3-1.APERÇU SUR LES METHODES DE RESOLUTION DES EQUATIONS DE
CONTINUITE……………………………………………………………………37
3-2.MODELES NUMERIQUES ADOPTES ET DISCRETISATION DE
EQUATIONS FLUIDE POISSON………………………………………………38
3-2-1.Description générale………………………………………………………………...38

3-2-2.Equations des modèles………………………………………………………………39
3-3 .LA METHODE DES DIFFERENCES FINIES…………………………………..39
3-4.FORMALISME MATHEMATIQUE DE LA METHODE………………………..40
3-5.EQUATION DE TRANSPORT POUR LE MODELE 2D……………………...40
3-6.DISCRETISATION DE L’EQUATION DE TRANSPORT EN 2D………………41
3-7.DISCRETISATION DE L’EQUATION DE L’ENERGIE ……………………….45
3-8.DISCRETISATION DE L’EQUATION DE POISSON…………………………..46
3-9.RESOLUTION PAR LA METHODE ITERATIVE DE SUR-RELAXATION…..47
3-10.RESOLUTION DE L'EQUATION DE POISSON A L'AIDE DE LA
TRANSFORMEE DE FOURIER RAPIDE (FFT)……………………………….48
3-11.ORGANIGRAMMES SYNOPTIQUES DE LA DECHARGE
LUMINESCENTE EN 2D……………………………………………………...51
3-12 .CONCLUSION…………………………………………………………………..52
CHPITRE 4 : CARACTERISTIQUES ELECTRIQUES EN 2D DE LA DECHARGE
LUMINESCENTE
INTRODUCTION……………………………………………………………………...53
4-1.RESULTATS DE LA SIMULATION AVEC DES PARAMETRES
DE TRANSPORT CONSTANTS EN 1D…………………………………………54
4-2. MODELE FLUIDE 2D……………………………………………………………56
4-2-1.Comportement électrique d'une décharge luminescente avec un
terme source d'ionisation constant………………………………………………...56
4-2-2.Distribution spatiale des densités électronique et ionique………………………….57
4-2-3.Distributions spatiales du potentiel, du champ électrique et du terme source net….58
4-2-4.Distribution spatiale du flux électronique et ionique……………………………….60
4-2-5.Distribution spatiale des densités de courant électronique et ionique……………... 62
4-2-6.Distribution spatiale de l’énergie et de la température des électrons………………64
4-3.TEST DE VALIDITE DU MODELE FLUIDE 2D……………………………….65
4-4. INFLUENCE DES PARAMETRES D’UTILISATION DE LA DECHARGE…..68
4-4-1.Effet de la tension appliquée………………………………………………………..68

4-4-2 Influences de la tension appliquée sur les distributions spatiales des densités
électronique et ionique………………………………………………………………68
4-4-3.Influence de la tension appliquée sur les distributions spatiales du potentiel et du
champ électriques…………………………………………………………………...69
4-4-4. Influence de la tension appliquée sur les distributions spatiales de l’énergie et de la
température des électrons………………………………………………………….71
4-5.EFFET DE LA PRESSION DU GAZ……………………………………………...72
4-5-1.Influence de la pression sur les distributions spatiales des densités électronique et
ionique……………………………………………………………………………..73
4-5-2.Influence de la pression sur les distributions spatiales du potentiel et des champs
électriques longitudinal et transversal……………………………………………….74
4-5-3.Influence de la pression sur les distributions spatiales de l’énergie et de la
température des électrons…………………………………………………………76
4-6.CONCLUSION…………………………………………………………………….78
CONCLUSION GENERALE……………………………79
REFERENCES BIBLIOGRAPHIQUES…………………….82