Étude expérimentale et modélisation de la dynamique spatiotemporelle de décharges nanosecondes impulsionnelles en contact avec l'eau

Autor: Herrmann, Antoine
Jazyk: francouzština
Rok vydání: 2024
Předmět:
Druh dokumentu: Diplomová práce
Popis: Cette thèse vise à mieux comprendre la physique des décharges électriques impulsionnelles produites dans l’air en contact avec une solution liquide. Des impulsions haute tension (amplitude 8 - 20 kV et largeur de 100 ns) sont appliquées à une pointe placée 10 – 1000 μm au-dessus de la solution. En utilisant des diagnostics électriques et de l’imagerie ICCD, l’influence de différents paramètres expérimentaux (distance pointe-liquide, amplitude et temps de montée de la tension, conductivité électrique et permittivité diélectrique de la solution) sur les propriétés de la décharge à la surface de la solution a été étudiée. Afin d’approfondir la physique de ces décharges, surtout la propagation à la surface du liquide, nous avons développé un modèle fluide 2D axisymétrique pour trois espèces : électrons, ions positifs et ions négatifs. Le modèle consiste à résoudre les équations de continuité ainsi que l’équation de Poisson tout en considérant la photo-ionisation. Nous avons démontré que les décharges se propageant à la surface sont de type streamer. Les résultats expérimentaux et ceux de la simulation montrent qu’une augmentation de la permittivité diélectrique induit une réduction de la tension de claquage et accélère l'initiation de la décharge, mais diminue la distance maximale de propagation à la surface de la solution. L’augmentation de la conductivité électrique a induit une production plus intense de charges à la surface de la solution et une réduction de la distance maximale de propagation. La polarité de la tension est également examinée, révélant des tendances similaires pour les décharges positives et négatives en termes de variation de permittivité et de conductivité. Cependant, la décharge négative se propage moins loin à la surface du liquide et ne permet pas la formation de filaments en raison d'une charge d’espace trop faible. Enfin, nous avons exploré la faisabilité d’un modèle fluide 3D tenant compte de la photo-ionisation stochastique. Le modèle a bien reproduit la formation de filaments dans le cas d'une polarité positive et une structure uniforme pour la polarité négative. Aussi, l'augmentation de la conductivité et de la distance pointe-liquide réduisent la vitesse de propagation de la décharge positive et peuvent l’arrêter avant la formation des filaments, comme observé expérimentalement.
This thesis aims to better understand the physics of pulsed electrical discharges produced in air in contact with a liquid solution. High voltage pulses (amplitude 8 - 20 kV and width 100 ns) are applied to a pin placed 10 – 1000 μm above the solution. Using electrical diagnostics and ICCD imaging, the influence of various experimental parameters (pin-to-liquid distance, voltage amplitude and rise time, electrical conductivity, and dielectric permittivity of the solution) on the discharge properties at the solution surface has been studied. To deepen the understanding of the physics of these discharges, especially the propagation at the liquid surface, we developed a 2D axisymmetric fluid model for three species: electrons, positive ions, and negative ions. The model involves solving the continuity equations as well as the Poisson equation while considering photoionization. We have demonstrated that discharges propagating at the surface are of the streamer type. Experimental and simulation results show that an increase in dielectric permittivity induces a reduction in breakdown voltage and accelerates the initiation of the discharge but decreases the maximum propagation distance on the solution surface. Increased electrical conductivity induced more intense charge production at the solution surface but also reduced the maximum propagation distance. The polarity of the voltage is also examined, revealing similar trends for positive and negative discharges in terms of permittivity and conductivity variation. However, the negative discharge propagates less far on the liquid surface and does not allow filament formation due to too low space charge. Finally, we explored the feasibility of a 3D fluid model accounting for stochastic photoionization. The model accurately reproduced filamentation in the case of positive polarity and a uniform structure for negative polarity. Also, increasing the conductivity and the pin-to-liquid distance reduces the propagation speed of the positive discharge and can stop it before filament formation, as observed experimentally.
Databáze: Networked Digital Library of Theses & Dissertations
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