Numerical simulation of nanosecond repetitively pulsed discharges in air at atmospheric pressure : Application to plasma-assisted combustion

par Fabien Tholin

Thèse de doctorat en Physique

Sous la direction de Anne Bourdon.

Le président du jury était Igor Adamovich.

Le jury était composé de Jean-Pierre Boeuf, Sébastien Célestin, Deanna Lacoste, Christophe Laux, Jean-Hugues Paillol.

  • Titre traduit

    Simulation numérique des décharges nanosecondes répétitives pulsées dans l'air sous pression atmosphérique : Application à la combustion assistée par plasma


  • Résumé

    Dans cette thèse, nous avons étudié des décharges nanosecondes répétitives pulsées dans une géométrie pointe-pointe à la pression atmosphérique dans l’air et dans des mélanges hydrogène-air. Expérimentalement, trois régimes de décharges ont été observés dans l’air à pression atmosphérique entre 300 et 1000 K : couronne, diffus et arc. Pour étudier ces différents régimes, nous avons tout d’abord simulé une décharge ayant lieu pendant un des pulses de tension nanosecondes. Nous avons montré qu’un paramètre clé pour la transition entre les régimes est le rapport entre le temps de connexion entre les décharges positives et négatives initiées aux pointes et la durée du pulse de tension. Dans une seconde étape, nous avons étudié la dynamique des espèces chargées entre les pulses de tension à 300 et 1000 K et nous avons montré que les caractéristiques de la décharge pendant un pulse de tension dépendaient très peu du niveau de préionisation (dans la gamme 109-1011 cm��3) laissé par les décharges précédentes. Nous avons ensuite simulé plusieurs pulses de tensions consécutifs à Tg=1000 K à une fréquence de 10 kHz. Nous avons montré que, en quelques pulses de tension, la décharge atteint un régime diffus "stable", observé dans les expériences. Nous avons ensuite étudié le régime de décharge de type arc nanoseconde. Nous avons montré que la fraction d’énergie de la décharge allant dans le chauffage rapide de l’air est de 20-30 %. A cause de ce chauffage rapide, nous avons observé la propagation d’une onde de choc cylindrique suivie par la formation d’un canal chaud, sur le passage initial de la décharge, qui se dilate radialement sur des temps courts (t 6 1 _s), comme observé dans les expériences. Ensuite nous avons pris en compte un modèle de circuit externe pour limiter le courant et ainsi nous avons simulé plusieurs pulses consécutifs pour étudier la transition entre les régimes diffus et d’arc nanoseconde. Pour finir, les résultats de cette thèse ont été utilisés pour trouver des conditions d’obtention d’un régime diffus stable à 300 K et à la pression atmosphérique. Puis nous avons étudié l’allumage sur des temps courts (t 6 100 _s) d’un mélange pauvre H2-air par une décharge de type arc nanoseconde à 1000 K et à pression atmosphérique avec une richesse de 0.3. Nous avons comparé les importances relatives pour l’allumage du chauffage rapide et de la production d’oxygène atomique. Nous avons montré que l’allumage par l’oxygène atomique semble être légèrement plus efficace et a une dynamique complètement différente de celle initiée par le chauffage rapide.


  • Résumé

    In this Ph.D. thesis, we have carried out numerical simulations to study nanosecond repetitively pulsed discharges (NRPD) in a point-to-point geometry at atmospheric pressure in air and in H2-air mixtures. Experimentally, three discharge regimes have been observed for NRPD in air at atmospheric pressure for the temperature range Tg = 300 to 1000 K: corona, glow and spark. To study these regimes, first, we have considered a discharge occurring during one of the nanosecond voltage pulses. We have shown that a key parameter for the transition between the discharge regimes is the ratio between the connection-time of positive and negative discharges initiated at point electrodes and the pulse duration. In a second step, we have studied the dynamics of charged species during the interpulse at Tg = 300 and 1000 K and we have shown that the discharge characteristics during a given voltage pulse remain rather close whatever the preionization level (in the range 109-1011 cm��3) left by previous discharges. Then, we have simulated several consecutive nanosecond voltage pulses at Tg = 1000 K at a repetition frequency of 10 kHz. We have shown that in a few voltage pulses, the discharge reaches a stable quasi-periodic glow regime observed in the experiments. We have studied the nanosecond spark discharge regime. We have shown that the fraction of the discharge energy going to fast heating is in the range 20%- 30%. Due to this fast heating, we have observed the propagation of a cylindrical shockwave followed by the formation of a hot channel in the path of the discharge that expands radially on short timescales (t < 1 _s), as observed in experiments. Then we have taken into account an external circuit model to limit the current and then, we have simulated several consecutive pulses to study the transition from multipulse nanosecond glow to spark discharges. Finally the results of this Ph.D. have been used to find conditions to obtain a stable glow regime in air at 300 K and atmospheric pressure. Second we have studied on short time-scales (t_ 100_s) the ignition by a nanosecond spark discharge of a lean H2-air mixture at 1000 K and atmospheric pressure with an equivalence ratio of _ = 0:3. We have compared the relative importance for ignition of the fast-heating of the discharge and of the production of atomic oxygen. We have shown that the ignition with atomic oxygen seems to be slightly more efficient and has a completely different dynamics.


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