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Thèse présentée à

UFR des Sciences de Rouen

Discipline : Physique
Spécialité : Energétique

Par

Laurent DELAIR

Soutenue le 16 novembre 2004

Caractérisation de sources plasmas dédiées à la simulation de rentrées atmosphériques et au traitement de polluants :
arc soufflé basse pression et décharge glissante atmosphérique.
Jury M’Hammed ABBAOUI - Professeur à l’Université Blaise Pascal, Clermont Ferrand - Rapporteur
Charles DE IZARRA - Professeur à l’Université d’Orléans - Rapporteur
Jean-Louis BRISSET - Professeur à l’Université de Rouen - Examinateur
Bruno CHERON - Professeur à l’Université de Rouen - Directeur de thèse
Michel LEDOUX - Professeur à l’Université de Rouen - Examinateur
Pierre VERVISCH - Directeur de Recherche CNRS UMR 6614 - Examinateur

Ce travail de thèse est consacré à l’étude expérimentale de deux sources de plasmas : une torche de configuration originale (deux pieds d’arc anodiques) produisant un plasma d’azote à basse pression, et un arc glissant atmosphérique.
Les caractéristiques thermodynamiques du plasma d’azote - densités et températures - sont déduites de l’analyse de son rayonnement par spectroscopie d’émission, depuis sa zone de création jusqu’à sa détente dans la veine d’essai. Des mesures du nombre de Mach sont également réalisées en sortie de torche. L’étude du comportement dynamique de cette source met en évidence l’existence d’une résonance acoustique de la chambre d’arc aux fluctuations de la densité électronique du plasma.
L’analyse de l’arc glissant par les mêmes procédés révèle le fort déséquilibre du plasma dans sa zone de création et l’existence de phénomènes d’élargissement anormaux, signature d’une turbulence plasma. L’acquisition simultanée et à haute vitesse de ses caractéristiques électriques et radiatives confirme le scénario habituellement proposé pour sa dynamique : claquage, étirement, extinction. Elle met également en évidence le comportement impulsionnel de cet arc au cours de sa progression entre les électrodes.

Mots clés
Arc électrique, plasma thermique, décharge glissante, fluctuations, spectroscopie d’émission, élargissement Stark.

Abstract

This work deals with the experimental study of two plasma sources : an original plasma torch (two anodic arc roots) which generates a low pressure nitrogen arcjet, and an atmospheric pressure gliding arc.
The thermodynamic characteristics of the nitrogen plasma - densities and temperatures - are deduced from emission spectroscopy analysis, from its creation zone to its expansion zone. Mach number measurements are carried out at the torch exit. The study of the arc’s dynamic behaviour highlights an acoustic resonance frequency inside the arc chamber.
The analysis of the gliding arc with emission spectroscopy reveals its non-equilibrium state and some abnormal ionic line broadenings in its creation zone due to plasma turbulence phenomena. Simultaneous high speed acquisitions of electrical signals and light intensity confirm its classical dynamical behaviour : ignition, lengthening, extinction. They also show the impulse behaviour of the arc column as it moves between the electrodes.

Key words
Electric arc, thermal plasma, gliding arc, fluctuations, emission spectroscopy, Stark broadening.

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