Theoretical, numerical and experimental study of DC and AC electric arcs

par Marina Lisnyak

Thèse de doctorat en Physique des gaz et des plasmas

Sous la direction de Jean-Marc Bauchire.

Le président du jury était Pascal Brault.

Le jury était composé de Jean-Marc Bauchire, Pascal Brault, Armélle Vardelle, Laurent Fulcheri, Mikhail Benilov, Yann Cressault, Moussa Chnani.

Les rapporteurs étaient Armélle Vardelle, Laurent Fulcheri.

  • Titre traduit

    Étude théorique, numérique et expérimentale d’arcs électrique continu et alternatif


  • Résumé

    L’apparition accidentelle d’un arc électrique dans le système de distribution électrique d’un aéronef peut compromettre la sécurité du vol. Il existe peu de travaux liés à cette problématique.Le but de ce travail est donc d’étudier le comportement d’un arc électrique, en conditions aéronautiques,par des approches théorique, numérique, et expérimentale. Dans ce travail, un modèle MHD de la colonne d’arc à l’ETL a été utilisé, et résolu à l’aide du logiciel commercial comsolMultiphysics. Afin de décrire l’interaction plasma-électrodes, le modèle a dû étendu pour inclure les écarts à l’équilibre près des électrodes. Ces zones ont été prises en compte en considérant la conservation du courant et de l’énergie dans la zone hors-équilibre. L’approche choisie et le développement du modèle ont été détaillés. La validation du modèle dans le cas d’un arc libre a montré un excellent accord avec les résultats numériques et expérimentaux de la littérature.Ce modèle d’arc libre a été étendu au cas de l’arc se propageant entre des électrodes en configuration rails et en géométrie 3D. Une description auto-cohérente du déplacement de l’arc entre les électrodes a été réalisée. La simulation numérique a été faite pour des arcs en régimes DC, pulsé et AC à des pressions atmosphériques et inférieures. Les principales caractéristiques de l’arc ont été analysées et discutées. Les résultats obtenus ont été comparés avec les résultats expérimentaux et ont montré un bon accord.Ce modèle d’arc électrique est capable de prédire le comportement d’un arc de défaut dans des conditions aéronautiques. Des améliorations du modèle sont discutées comme perspectives de ce travail.


  • Résumé

    The ignition of an electric arc in the electric distribution system of an aircraft can be a serious problem for flight safety. The amount of information on this topic is limited, however. Therefore,the aim of this work is to investigate the electric arc behavior by means of experiment and numerical simulations.The MHD model of the LTE arc column was used and resolved numerically using the commercial software comsol Multiphysics. In order to describe plasma-electride interaction, the model had to be extended to include non-equilibrium effects near the electrodes. These zones were taken into account by means of current and energy conservation in the non-equilibrium layer. The correct matching conditions were developed and are described in the work. Validation of the model in the case of a free burning arc showed excellent agreement between comprehensive models and the experiment.This model was then extended to the case of the electric arc between rail electrodes in a 3D geometry. Due to electromagnetic forces the electric arc displaces along the electrodes. A self-consistent description of this phenomenon was established. The calculation was performed for DC, pulsed and AC current conditions at atmospheric and lower pressures. The main characteristics of the arc were analyzed and discussed. The results obtained were compared with the experimental measurements and showed good agreement.The model of electric arcs between busbar electrodes is able to predict the behavior of a fault arc in aeronautical conditions. Further improvements of the model are discussed as an outlook of the research.


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