Modélisation de décharges électriques microsecondes dans l'eau

Electric discharges in liquids have been mainly studied experimentally in dielectric liquids for applications related to high power components (transformers, capacitors). Recently studies on electric discharges in water have

• Auteur / Autrice : Benjamin Dufour
• Direction : Xavier Duten, Catherine Rond
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences pour l'ingénieur
• Date : Soutenance le 14/12/2021
• Etablissement(s) : Paris 13
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Galilée (Villetaneuse, Seine-Saint-Denis)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire des Propriétés Mécaniques et Thermodynamiques des Matériaux (....-2010)
• Jury : Président / Présidente : Khaled Hassouni
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Arnaud Bultel
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Thierry Belmonte, Yann Cressault

Mots clés

Mots clés contrôlés

Plasmas (gaz ionisés)

Plasmas hors d'équilibre

Amorçage (électricité)

Mots clés libres

Plasma dans les liquides (eau)

Décharge microseconde

Claquage dans l'eau

Plasma in liquids (water)

Micro-Pulsed discharge

Underwater electrical breakdown

Résumé

Ce travail de thèse a porté sur le développement d’outils numériques permettant de simuler les phénomènes physico-chimiques associés à une décharge électrique microseconde réalisée dans de l'eau. Une première partie de ma thèse a permis de reproduire l'évolution de la composition chimique(hors-équilibre) du milieu en phase de claquage et de post-claquage à travers le développement d’un modèle 0D. Un schéma cinétique contenant 31 espèces interagissant au sein de 619 réactions a été développé. Le modèle prend également en compte le déséquilibre thermique en distinguant les modes cinétiques des électrons et de l’énergie totale des lourds. L’importance du calcul de la température de gaz a été prouvée par le modèle. Un deuxième volet de ma thèse est dédié à la modélisation des phénomènes de diffusion se déroulant à l'interface plasma-liquide. Les coefficients de diffusion gazeux utilisés sont déterminés par la méthode de Chapman-Enskog. Un schéma cinétique a été développé pour modéliser les réactions dans la phase liquide (31 espèces et 63 réactions). L'objectif était de pouvoir quantifier la quantité de H2O2 produite dans le but d'une validation expérience-modèle. Les valeurs obtenues par l'expérience et le modèle mettent en évidence les limites du schéma cinétique liquide simplifié. Un dernier volet de ma thèse a consisté à modéliser les phénomènes physiques mis en jeu lors de la phase de post-claquage durant laquelle une bulle se forme. Cette bulle oscille dans le liquide en subissant des cycles d'expansion puis de contraction. Ces oscillations sont modélisées par des équations de Rayleigh-Plesset (fluide incompressible) ou de Gilmore (fluide compressible). La confrontation expérience-modèle permet de remonter aux variations de volume et de pression. Un bon accord est obtenu pour l’évolution du rayon du 1er cycle des bulles et pour les valeurs de pression initiale.

This thesis work focused on the development of numerical tools to simulate the physico-chemical phenomena associated with a microsecond electrical discharge in water. The first part of my thesis allowed me to reproduce the evolution of the chemical composition (out of equilibrium) of the medium during the breakdown and post breakdown stages through the development of a 0D model. A kinetic scheme containing 31 species interacting in 619 reactions was developed. The model also takes into account the thermal non-equilibrium by distinguishing the kinetic modes of electrons and total heavy energy. The importance of the gas temperature calculation has been proven by the model. A secondpart of my thesis is dedicated to the modelling of the diffusion phenomena taking place at the plasma-liquid interface. The gas diffusion coefficients used are determined by the Chapman-Enskog method. A kinetic scheme was developed to model the reactions in the liquid phase (31 species and 63reactions). The objective was to be able to quantify the amount of H2O2 produced in order to make an experimental-model validation. The values obtained by the experiment and the model highlight the limits of the simplified liquid kinetic scheme. The last part of my thesis consisted in modelling the physical phenomena involved in the post breakdown stage during which a bubble is formed. This bubble oscillates in the liquid undergoing cycles of expansion and contraction. These oscillations are modelled by Rayleigh-Plesset (incompressible fluid) or Gilmore (compressible fluid) equations. The experiment-model comparison allows us to trace the variations of the volume and the pressure. A good agreement is obtained for the evolution of the radius during the first cycle of the bubbles and for the initial pressure values.