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Thèse de Sébastien Célestin le 8 décembre 2008

THESE DE DOCTORAT DE L’ECOLE CENTRALE PARIS

Soutenance le 8 décembre 2008

Titre
 : Étude de la dynamique des streamers dans l’air à la pression atmosphérique.

Résumé :

Dans cette thèse, nous avons étudié d’un point de vue expérimental et numérique la dynamique et
la structure des décharges de type streamer dans l’air à la pression atmosphérique. Deux configurations ont
été étudiées : une décharge Nanoseconde Répétitive Pulsée (NRP) entre deux pointes dans l’air préchauffé et
une Décharge à Barrière Diélectrique (DBD) dans une configuration pointe-plan. Nous avons montré que les
simulations de la dynamique de ces décharges sur des temps courts permettent d’obtenir des informations
sur la structure et les propriétés de ces décharges observées expérimentalement, généralement sur des temps
plus longs. Dans le cadre de cette thèse, du point de vue de la simulation des décharges, deux nouvelles
approches ont été développées : pour le calcul de la photoionisation et pour la prise en compte d’électrodes
de forme complexe dans des maillages cartésiens.
Pour le calcul de la photoionisation dans l’air, le modèle intégral de référence requiert de longs temps de
calcul. Dans ce travail, afin d’éviter de lourds calculs intégraux, nous avons développé plusieurs modèles
différentiels qui permettent de prendre en compte la dépendance spectrale de la photoionisation, tout en
restant simples et peu coûteux en temps de calcul. Parmi les modèles développés, nous avons montré que le
modèle appelé SP3 3-groupes basé sur une approximation d’ordre 3 de l’équation de transfert radiatif était
plus précis pour la simulation des streamers.
Afin de prendre en compte des électrodes de forme complexe dans les simulations, nous avons adapté une
méthode GFM ("Ghost Fluid Method") pour résoudre l’équation de Poisson afin de calculer précisément le
potentiel et le champ électrique près de l’électrode. Cette méthode nous permet de prendre en compte
l’influence de la forme exacte de l’électrode dans un maillage régulier, et ce quelque soit la forme de
l’électrode.
Nous avons réalisé des simulations en géométrie pointe-pointe étroitement liées à de récents travaux
expérimentaux concernant des décharges générées par NRP dans de l’air préchauffé. Nous avons étudié la
dynamique de la décharge dans l’espace inter-électrode pour différentes températures de l’air et différentes
tensions appliquées. Nous avons montré que la structure de la décharge dépendait fortement de la tension
appliquée, ce qui est en bon accord avec les expériences.
Dans la partie expérimentale de ce travail, nous avons étudié un comportement particulier des filaments de
plasma dans une DBD pendant la demi-alternance positive de la tension appliquée. La dynamique des
décharges est fortement affectée par la charge de surface déposée sur le diélectrique. Nous avons simulé une
configuration pointe-plan avec un diélectrique plan sur la cathode dans le but de mieux comprendre
l’influence de l’accumulation de la charge de surface sur l’allumage et la propagation de décharges
successives dans une DBD. Dans ce travail, nous avons simulé la propagation d’un streamer initié près de
l’anode jusqu’au diélectrique, ainsi que la formation d’une décharge de surface sur celui-ci. Nous avons ainsi
déterminé les échelles de temps et les processus responsables de l’écrantage d’un filament de plasma et les
conditions d’allumage des décharges successives. Les résultats obtenus sont en bon accord avec l’expérience.


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