Caractérisation d'un jet de plasma d'argon laminaire : détermination des champs de températures par spectroscopies atomique et moléculaire et mesures de vitesses d'écoulement

par Emilie Langlois-Bertrand

Thèse de doctorat en Physique des plasmas

Sous la direction de Charles de Izarra.

Le président du jury était Daniel Morvan.

Le jury était composé de Charles de Izarra, Daniel Morvan, Jean-François Coudert, Marie-Pierre Planche, Joost Van Der Mullen, Michel Dudeck, Bernard Pateyron.

Les rapporteurs étaient Jean-François Coudert, Marie-Pierre Planche.


  • Résumé

    Les jets de plasma sont largement utilisés dans l’industrie, dans les laboratoires pour des applications allant du traitement des déchets, à la découpe de pièces métalliques jusqu’aux dépôts de couches de protection. Dans la majorité de ces applications, les jets de plasma sont utilisés en régime turbulent. Ce régime est caractérisé par de fortes fluctuations panache, peu attractives dans le domaine du traitement des matériaux, car elles réduisent la répétabilité et le contrôle des processus. Des jets de plasma aux caractéristiques beaucoup plus stables peuvent être produits en réduisant le débit de gaz plasmagène. Ces jets de plasma sont appelés jets de plasma laminaire. Peu d’études ont été menées sur ce type de jet limitant le développement de ces torches. L’objectif du travail présenté dans ce mémoire est de réaliser l’étude d’un jet de plasma d’argon en régime laminaire à pression atmosphérique. Le diagnostic du jet a été réalisé par spectroscopie optique d’émission à partir de l’enregistrement des spectres atomique et moléculaire d’éléments présents dans le jet. Par ailleurs, ces résultats ont permis de montrer que le jet de plasma pompait l’air extérieur dans lequel fonctionnait la torche. En outre, les champs de vitesses du jet de plasma ont été mesurés par un tube de Pitot. Les distributions de températures et de vitesses déterminées expérimentalement ont été comparés aux résultats d’un modèle numérique. Pour finir, nous avons développé une méthode de mesure de la température du jet de plasma à partir des spectres d’émission des molécules de MgO et de CN produits respectivement à partir de la combustion de magnésium injecté dans le plasma et de la combustion de l’air. Ces molécules sont d’un grand intérêt dans les processus industriels mais aussi dans le domaine de l’aérospatial.

  • Titre traduit

    Argon laminar plasma jet characterisation : temperature fields determination from atomic and molecular spectroscopy and flow velocity


  • Résumé

    Plasma jets are widely employed both in industry and in laboratories for various applications such as wastetreatment, cutting or spraying protection coating. Usually, the plasma jets are employed in turbulent flowregime. This flow regime is characterised by large plasma jet fluctuations, undesirable in material processing, because they will reduce the process repeatability and controllability. A more stable plasma jet can be generated by reducing the flow rate of the plasma forming gas, and this is called a laminar plasma jet. Few studies have been published on the laminar plasma jet, which has limited the development of these torches. The aim of this thesis is to study a laminar argon plasma jet at atmospheric pressure. The plasma jet diagnostic was performed with an optical emission spectroscopy experiment. The atom and molecule spectra from the jet have been recorded. These results have shown that ambient air is entrained into the plasma jet. In addition, the plasma jet velocity fields were measured by a Pitot tube. The temperature and velocity distributions determined in the experiments were compared to the numeric model results. Finally, we have developed a method to measure the plasma jet temperature from the emission spectra of molecules of MgO and CN which are produced from the magnesium combustion injected into the plasma and the air combustion respectively. These molecules are of great interest in industrial processes but also in the field of aerospace.


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