Offre de thèse : Décharges nanosecondes répétitives pulsées dans l’air : applications en énergétique

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Offre de thèse : Décharges nanosecondes répétitives pulsées dans l’air : applications en énergétique

Offre de thèse : "Décharges nanosecondes répétitives pulsées dans l’air : applications en énergétique" Offre de thèse : Conception d’un procédé innovant de purification de biogaz en vue de sa valorisation comme carburant automobile ou en injection dans le réseau de gaz naturel, (BIOEPURE) Modélisation et commande robuste de systèmes biologiques : exemple de la production d’acide lactique en fermenteur industriel Post-doc "Modelling radiative heat transfer inside microwave plasma reactors for diamond deposition" Offre de thèse :« Etude des effets d’une décharge nanoseconde répétitive pulsée sur un écoulement combustible : application à la combustion assistée par plasma» Couplage entre écoulements hypersoniques de rentrée atmosphérique et transfert radiatifs : Application aux écoulements de mélanges CO2-N2

Contexte

Les plasmas d’air à pression atmosphérique ont de nombreuses applications potentielles dans les domaines de l’énergie, de l’environnement, de l’aérodynamique, de la furtivité, des matériaux, du traitement médical et de la décontamination gazeuse. Une technique de production très efficace consiste à utiliser des décharges NRP (Nanosecond Repetitively Pulsed), c’est-à-dire des impulsions de tension ultracourtes, de l’ordre de quelques nanosecondes, à des cadences de répétition élevées, de l’ordre de la centaine de kilohertz. La consommation énergétique résultante est très faible, typiquement inférieure à la centaine de Watt par centimètre cube de plasma créé.

Une particularité des décharges NRP est qu’elles peuvent fonctionner sous deux régimes, diffus ou filamentaire. Le régime diffus permet de produire des espèces actives sans échauffement du gaz, tandis que le régime filamentaire produit des espèces actives en quantité beaucoup plus importante mais avec un échauffement de plusieurs milliers de Kelvin. Cet échauffement du gaz peut être rédhibitoire pour certaines des applications mentionnées précédemment, notamment le traitement de surfaces sensibles ou le contrôle d’écoulement aérodynamiques. Il est donc important de comprendre et de modéliser le fonctionnement des deux régimes de décharge.

Objectifs et déroulement de la thèse

Dans un premier temps, les domaines d’existence des régimes diffus et filamentaires des décharges NRP seront étudiés en fonction des paramètres électriques et géométriques et des caractéristiques de l’écoulement d’air (température et vitesse). Pour cela, des mesures spectroscopiques et d’imagerie ultrarapide seront menées pour mettre en évidence l’évolution des ondes d’ionisation et de redistribution de potentiel en fonction des différents paramètres. Le mécanisme d’attachement électronique, phénomène clé permettant la stabilisation de la décharge diffuse dans l’espace interelectrode, sera particulièrement étudié. Cette première partie permettra de valider le critère d’existence des différents régimes récemment proposé par Pai et al. [1].

Dans un deuxième temps, on quantifiera les effets de la décharge NRP en termes de production d’espèces actives (électrons, ions, radicaux, molécules excitées) et d’échauffement du gaz. Pour cela, le doctorant mettra en œuvre les diagnostics optiques avancés du laboratoire EM2C [2] (OES – Optical Emission Spectroscopy, LIF – Laser Induced Fluorescence, TALIF – Two-Photon Absorption Laser Induced Fluorescence, CRDS – Cavity Ring-Down Laser Spectroscopy). En parallèle, un modèle thermocinétique sera développé pour prédire les densités des espèces clés et l’échauffement du gaz. On s’intéressera particulièrement aux espèces jouant un rôle important dans les applications visées : radicaux d’oxygène et autres espèces oxydantes pour la combustion assistée par plasma et les applications biomédicales, les ions pour les applications de contrôle d’écoulement aérodynamique,… Le modèle permettra de déterminer les conditions opératoires optimales pour les applications envisagées.

La troisième partie de la thèse consistera à appliquer les résultats obtenus à une configuration d’intérêt industriel, comme par exemple le contrôle d’écoulements aéronautiques [3] ou la combustion assistée par plasma [4] (voir Figure 2).

Encadrement

La thèse se fera sous la responsabilité de Christophe Laux, Deanna Lacoste et Gabi Stancu au laboratoire EM2C de l'Ecole Centrale de Paris.

Figure 1.

Régimes de fonctionnement de Décharge Nanoseconde Répétitive Pulsée dans l’air à 1 atm et T = 1000 K. L’anode et la cathode sont notées A et C. La fréquence de répétition des impulsions est de 10 kHz. De gauche à droite : régimes couronne, diffus, filamentaire [1].

Figure 2.

a) Application à la propulsion plasma par vent ionique : http://www.electrofluidsystems.com/airfish/b-ionic-airfish-2008.wmv

b) Application à la combustion assistée par plasma : stabilisation d’une flamme propane-air prémélangée pauvre [4]

Références

[1] Pai, D.Z., Lacoste, D.A., Laux, C.O., ‘Transitions between corona, glow, and spark regimes of nanosecond repetitively pulsed discharges in air at atmospheric pressure,” J. Appl. Phys., 107, 093303, 2010.
[2] Stancu, G.D., Kaddouri F., Lacoste D.A., Laux C.O., “Atmospheric pressure plasma diagnostics by OES, CRDS and TALIF,” J. Phys. D: Appl. Phys., 43, 124002, 2010.
[3] Colas, D., Ferret, A., Pai, D., Lacoste, D, Laux, C, “Ionic wind generation by a wire cylinder-plate corona discharge in air at atmospheric pressure,” J. Appl. Phys, 108, 103306, 2010.
[4] Pilla, G., Galley, D., Lacoste, D.A., Lacas, F., Veynante, D., Laux, C.O., “Plasma-Enhanced Combustion of a Lean Premixed Air-Propane Turbulent Flame using a Repetitively Pulsed Nanosecond Discharge”, IEEE Transactions on Plasma Science, vol. 34, pp. 2471- 2477, 2006.