Etude expérimentale et numérique d'un arc électrique dans un liquide

par Zoé Laforest

Thèse de doctorat en Ingénierie des plasmas

Sous la direction de Jean-Jacques Gonzalez et de Pierre Freton.


  • Résumé

    L'étude des arcs électriques dans les liquides débute au XXème siècle suite à la création des premiers disjoncteurs à bain d'huile et à l'utilisation de différents procédés de soudure/découpe en pleine eau de coques de navire. Ces études ont été délaissées pendant environ 60 ans jusqu'à ce que de nouvelles applications voient le jour comme la fabrication de nanostructures (pour le génie électrique, la médecine, etc), la fracturation électrique ou encore diverses applications environnementales (dépollution, stérilisation, gazéification, ondes de chocs). Ces diverses applications se font avec des temps et des énergies mises en jeu pour la décharge très variables. Malgré ces différences, il y a toujours l'apparition d'une phase gazeuse globalement sphérique due au passage du courant. Cependant, cette phase est très peu étudiée dans la littérature notamment pour des décharges de l'ordre du kilojoule pour des durées de 10ms environ. L'objectif de la thèse est donc d'améliorer la compréhension de la formation et de la dynamique de la bulle de gaz alimentée par cet arc en jouant sur certains paramètres du système. Les travaux effectués s'articulent suivant deux axes : une étude expérimentale pour analyser le comportement de cette bulle par rapport à l'arc en modifiant notamment l'énergie injectée, la distance inter-électrode utilisée ou encore la nature du fluide employé ; et une étude numérique où un modèle diphasique 2D a été mis en œuvre sous Ansys Fluent pour simuler la création et le développement de cette phase gazeuse au sein d'une phase liquide. La complémentarité de ces deux études permet de témoigner de la présence de certains mécanismes comme ceux de la formation de bulles ou de cycles d'expansion et d'effondrement, gouvernés par des phénomènes de chauffage, d'évaporation ou électrothermiques. L'expérience mise en place se compose d'un réacteur hermétique en aluminium où l'arc électrique est amorcé par un fil fusible entre deux électrodes dans un liquide : eau ou huile. Des hublots permettent la visualisation par caméra rapide de l'espace inter électrode, et donc de l'arc et de la bulle de gaz qu'il engendre. Les caractéristiques courant et tension de l'arc électrique sont suivies dans le temps. Un capteur de pression dans le volume d'air situé au-dessus du liquide contrôle l'onde de pression générée par la décharge. Les résultats expérimentaux sont traités sous Matlab et permettent de conforter le modèle numérique mis en place. Le code utilise les équations de Navier-Stokes pour décrire les deux phases du fluide via la méthode Volume-Of-Fluids (VOF). A ces développements a aussi été intégré un modèle pour prendre en compte le transfert d'une phase de fluide vers une autre. Pour nos conditions de températures élevées, ce modèle a dû être adapté via le coefficient d'intensité de transfert de masse, qui est décrit en fonction de la température et de la proportion de phase dans une cellule. Les résultats de simulation issus de ce modèle permettent d'appuyer les observations expérimentales, et de poser les bases d'une étude sur la formation et le comportement de la phase gazeuse produite par le passage d'un arc électrique dans un liquide.

  • Titre traduit

    Experimental and numerical study of an electric arc in liquid


  • Résumé

    The study of electrical arcs in liquids begins in XXth century with the first oil circuit breaker and the use of welding/cutting processes on ship hulls in full water. These studies have been neglected for about 60 years, until the emergence of new applications such as the manufacture of nanostructures (for electrical engineering, medicine, etc.), electrical arc fracturing or different environmental applications (depollution, sterilization, gasification). In these applications different times and energies scales are involved for the discharge characteristics. Despite these differences, in all configurations a spherical gaseous medium dues to the current carrying path in the liquid exists. However, this gaseous phase is not much studied in the literature, particularly for an energy discharges of the order of kilojoule applied during 10ms. The goal of the thesis was to improve the understanding and to interpret the formation and the dynamic of the gas bubble created by this arc by varying the conditions. The work follows two ways: an experimental study to analyze the behavior of the bubble depending on the arc characteristics as the energy injected, the distance between the electrodes or the nature of the fluid; And a numerical study, where a 2D diphasic model has been implemented under Ansys Fluent to simulate the creation and the expansion of this gaseous phase in a liquid. The complementarity of these two approaches allows complementarities and interpretations. The experiment set up is composed by a closed aluminum reactor, where the electric arc is established in a liquid (water or oil) by a fusible wire between two electrodes. Windows allows to visualize by a speed camera the inter-electrode space, and so the arc and the gas bubble created. The current and voltage characteristics of the electric arc are recorded over time. A pressure sensor located in the volume of air above the liquid controls the pressure variations. The experimental results are treated through Matlab software and allow corroborating the numerical model developments. The code uses the Navier-Stokes equations to describe the two phases of the fluid via the Volume-Of-Fluids (VOF) method. Specifics developments have also been integrated to take into account the phase transfer at the gas/liquid interface adapting the mass transfer intensity coefficient. This coefficient is described as a function of the temperature and of the proportion of phase in a cell. The simulation results from the model support the experimental observations and build the foundations for a study on the behavior of the gaseous phase produced by the passage of an electric arc in a liquid.


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Cette thèse a donné lieu à une publication en 2017 par Université Paul Sabatier [diffusion/distribution] à Toulouse

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Informations

  • Sous le titre : Etude expérimentale et numérique d'un arc électrique dans un liquide
  • Détails : 1 vol. (222 p.)
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