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Thèse

Analyse du comportement et des caractéristiques des arcs thermiques soumis à des champs externes et internes

Résumé : Cette thèse œuvre à la compréhension et l’analyse du comportement de l’arc plasma thermique et ses interactions avec les champs électriques et magnétiques auxquels il peut être soumis. Les différentes méthodes développées et les différents cas traités correspondent à des cas d’application directe des plasmas dans les procédés industriels. L’étude de la dynamique de l’arc ainsi que de ses différentes caractéristiques constitue la pierre angulaire de tout développement des technologies plasmas thermiques, qui s’avèrent très prometteuses avec la transition énergétique tant sur le plan écologique grâce à leur propreté et leur faible empreinte carbonique que sur le plan technologique grâce aux températures élevées et fortes densités énergétiques dont elles sont dotées.Nous proposons deux différentes approches principales dans cette thèse pour le traitement du modèle mathématique présenté au chapitre 2 : une approche analytique et une approche numérique. L’approche analytique englobe plusieurs méthodes de calcul qui sont relativement simples à implémenter et très précieuses dans la conception de base. Elles constituent une extension de quelques méthodes mathématiques qui ont été abordées par des chercheurs russes et américains dans les années 1960 et 1970 mais qui ont été ensuite abandonnées avec l’avènement de la micro-informatique.Une partie est consacrée à l’étude d’un arc AC ou DC à pieds fixes soumis à un champ transversal (magnétique externe, auto-induit et/ou un champ de vitesse). Les résultats de calcul analytique suggèrent que la stabilisation d’un tel type d’arc est dictée par sa courbure. Des critères de stabilité, mettant en avant des nombres adimensionnels furent établis. Les résultats obtenus sont confrontés à des résultats numériques. Un très bon accord est observé.Une autre partie est dédiée à l’étude d’un arc à pieds mobiles qui se déplace entre 2 rails parallèles ou 2 électrodes concentriques sous l’effet un magnétique transversal ou d’un champ magnétique induit par les électrodes. Les propriétés de ce mouvement dépendent du rayon de l’arc. Ce dernier est obtenu à partir de la résolution complète de l’équation de la chaleur en 2D. Les résultats sont validés par comparaison avec des résultats expérimentaux et numériquesLe calcul radiatif est également abordé dans cette thèse. Celui-ci, étant très compliqué à implémenter même au moyen d’un calcul numérique du fait de sa dépendance d’un nombre variables (fréquence du spectre, la température, la pression, la géométrie, la composition du mélange, etc.), est couramment approximé par la méthode de la sphère isotherme de rayon. En comparant des résultats obtenus par calcul exact et calcul approximatif pour un arc H2 à stabilisé par parois, un algorithme permettant de calculer le meilleur choix du paramètre est établi.La partie réservée à la modélisation numérique se propose de présenter les différentes méthodes numériques utilisées actuellement dans la modélisation de l’arc et des torches électriques. Elle fournit les bonnes conditions à prendre pour le potentiel vecteur pour un modèle numérique de transport (TADR). 2 méthodes hybrides volumes-finis et éléments-finis (VF-EF) sont proposés afin de mieux améliorer la modélisation des arcs. Les équations de l’écoulement sont résolues par la méthode VF (des approches classiques VF peuvent être implémentées). Les équations de l’électromagnétisme sont résolues par les méthodes EF.D’autres méthodes numériques utilisées afin de pouvoir mener le calcul pour des réacteurs à grande échelle sont aussi présentées. Une séparation entre les phénomènes physiques à grande et à petite échelles est adoptée. Les phénomènes électromagnétiques qui accompagnent l’arc sont modélisés analytiquement et insérés en tant que terme source. Seules les équations de l’écoulement sont résolues, afin d’obtenir les caractéristiques principales au sein du réacteur industriel (champ de vitesse, distribution de température, etc.).
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Contributeur : Abes Star :  Contact
Soumis le : mardi 19 mai 2020 - 11:17:45
Dernière modification le : jeudi 28 mai 2020 - 03:39:51

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  • HAL Id : tel-02612506, version 1

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Youssef Abdo. Analyse du comportement et des caractéristiques des arcs thermiques soumis à des champs externes et internes. Thermique [physics.class-ph]. PSL Research University, 2018. Français. ⟨NNT : 2018PSLEM040⟩. ⟨tel-02612506v1⟩

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