Décharge couronne-Application et modélisation

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DAILL GuillaumeFOURNAUD BenotProjet Utilisation Rationnelle de lnergie : DECHARGE COURONNE, APPLICATIONS ET MODELISATION Encadrants: Hamou Sadat Nicolas Dubus nergtique Industrielle Anne 2004/2005 Rsum :Cesderniresannes,lacommunautscientifiquesintressedeplusenplusaux plasmasfroids.Eneffet,lesplasmasfroidssontunetechnologieprometteusequi tendpntrerunnombrecroissantdedomainesdapplications.Ilspeuventtre gnr par plusieurs procds. Dans ce projet, seul les plasmas froids gnrs par dchargescouronnesontttudi.Dansunpremiertemps,lesconfigurationset lesmcanismesdeformationetdepropagationdusteamersontexposs.Ensuite, un inventaire non exhaustif des champs dapplication des plasmas froid gnrs par dcharge couronne est effectu, parmi lesquels les traitements des effluents gazeux etlestraitementsdesurfaces.Dansunedernirepartie,untatdelartest rapidement prsent sur les travaux visant modliser les phnomnes se droulant lors de la cration dun plasma froid. Abstract: Theselastyears,thescientificcommunityisinterestedmoreandmoreincold plasmas. Indeed, cold plasmas are a promising technology which tends to penetrate a growingnumberofapplicability.Theycanbegeneratedbyseveralprocesses.In thisproject,onlythecoldplasmasgeneratedbycoronadischargeswerestudied. Initially, the configurations and the mechanisms of formation and propagation of the steamer are exposed. Then, a non exhaustive inventory of the applications fields of the cold plasmas generated by corona discharge is carried out, among which off-gas treatmentsandsurfacetreatments.Inalastpart,astateoftheartisquickly presentedonworkaimingatmodellingthephenomenaproceedingduringthe creation of cold plasma. http://kronos.fbhost.beDcharge couronne, applications et modlisation1SOMMAIRE Introduction................................................................................................................. 4 I.Les dcharges couronnes : ................................................................................. 5 A.Les plasmas..................................................................................................... 5 B.Configuration des dcharges couronnes : ....................................................... 6 C.Formation des dcharges dans les gaz........................................................ 6 1.Mcanismes dactivation du gaz et paramtres fondamentaux.................... 6 2.Dcharge de Townsend et critre dauto-entretien de la dcharge.............. 8 3.Loi de Paschen............................................................................................. 9 D.Proprits spcifiques aux dcharges couronnes........................................ 9 1.Caractristique courant-tension et rgimes de dcharge............................. 9 2.Champ lectrique et topographie de la dcharge....................................... 11 E.Les dcharges filamentaires .......................................................................... 12 1.Dcharges pointe positive-plan ou streamers .......................................... 13 2.Dcharges pointe ngative-plan................................................................. 15 3.Dcharges alternatives............................................................................... 15 4.Vent lectrique et consquences hydrodynamiques .................................. 15 II.Application des dcharges couronnes............................................................... 17 A.Traitement des effluents gazeux.................................................................... 17 1.Les prcipitateurs lectrostatiques............................................................. 17 2.Destruction des polluants par dcharges couronne ................................... 18 B.Gnrateurs d'ozone ..................................................................................... 19 1.Gnrateur avec Dcharge Couronne Oxygne pure (CDOX) ............ 19 2.Gnrateur avec dcharge Couronne coefficient rduit (RCCD) ......... 20 C.Traitement des surfaces............................................................................. 20 1.Nettoyage et rosion de surface................................................................. 20 2.Dpt de films ............................................................................................ 21 3.Modification de la chimie de surface .......................................................... 21 4.Conclusion ................................................................................................. 22 D.Autres applications..................................................................................... 22 1.limination de llectricit statique.............................................................. 22 2.Contrle actif dun coulement ................................................................... 23 E.Conclusion..................................................................................................... 24 III.Modlisation................................................................................................... 25 A.Mise en quation............................................................................................ 25 B.Les diffrentes mthodes de rsolutions ....................................................... 26 1.Mthode des lments frontires ............................................................... 26 2.Mthode des lments finis........................................................................ 27 3.Mthode des caractristiques..................................................................... 28 C.Exemples de modlisation ......................................................................... 29 1.Exemple faisant intervenir la BEM et la FEM[3]........................................... 29 2.Exemple faisant intervenir la mthode des diffrences finies[2].................. 30 3.Conclusion ................................................................................................. 35 Conclusion................................................................................................................ 36 Bibliographie............................................................................................................. 37 http://kronos.fbhost.beDcharge couronne, applications et modlisation2INDEX DES FIGURESFigureI-1 Systmes dlectrodes couramment utiliss pour la production de dcharges............................................................................................................ 6 FigureI-2 Tension de claquage pour diffrents gaz en fonction du produit pression, distance interlectrode. ....................................................................................... 9 FigureI-3 Caractristique courant-tension dune dcharge couronne dans lair pression atmosphrique (configuration pointe-plan, distance interlectrode d=13 mm). .................................................................................................................. 10 FigureI-4 Lignes isopotentiel avant (a) et 10 Os aprs (b) passage du streamer. .... 11 FigureI-5 Topographie de la dcharge couronne en configuration pointe plan........ 12 FigureI-6 Mcanisme de dveloppement du streamer propos par Townsend. ...... 13 FigureI-7 Mcanisme de propagation du streamer par photoionisation................... 14 FigureI-8 Evolution du champ rduit E/N au passage du streamer. ........................ 14 FigureI-9 Visualisation de lhydrodynamique par introduction de fume (a) et par simulation (b). .................................................................................................... 16 FigureII-1 Principe de fonctionnement d'un ioniseur................................................ 17 FigureII-2 Les trois fonctions dun catalyseur dNOx standard. .............................. 19 FigureII-3 Eliminateur d'lectricit statique. ............................................................. 22 FigureII-4 Principe de contrle d'un coulement par dcharge couronne................ 24 FigureIII-1 Dcharge Couronne grce un dispositif double; (1) masse, (2) lectrode ionisante, (3) support mtallique. ...................................................................... 31 FigureIII-2 Modlisation relle (a) et simplifie (b) de la gomtrie de l'lectrode. .. 31 FigureIII-3 Schma suivi lors de la rsolution numrique. ....................................... 33 http://kronos.fbhost.beDcharge couronne, applications et modlisation3GlossairePre disruptif : Etat prcdant la disruption. Disruption : Claquage lectrique. Steamer : Zone de fort champ et de faible conductivit o se forment les espces excites et les radicaux. Enduction : Action denduire un support textile dun produit destin lui confrer des qualits particulires, en modifier laspect, etc. C.O.V. : Composs Organiques Volatils. C.E.A. : Commissariat lnergie Atomique. B.E.M. : Mthode des lments frontires (Boundary Element Method). F.E.M. : Mthode des lments finis (Finite Element Method). F.D.M. : Mthode des diffrences finies (Finite Difference Method). M.O.C. : Mthode des caractristiques(Method of Caracteristic). I.A.A. : Industrie Agro Alimentaire. Gap : Distance inter lectrode. http://kronos.fbhost.beDcharge couronne, applications et modlisation4Introduction De nos jours, les plasmas sont de plus en plus utiliss dans lindustrie. Il existe deux catgoriesdeplasma,lesplasmasditsthermiquesetlesplasmasditsfroids.Les dchargescouronnessontundesprocdspouvantconduirelacrationdeces derniers. Bienquerelativementjeune,lutilisationdestechniquesfaisantintervenirles dchargescouronnestendprendredelimportance.Eneffet,ellessontdhorset dj largement utilise dans les domaines de traitement des effluents gazeux et des surfaces.Aussi,afindeminimiserlescotsdedveloppement,desrcentes recherches essayent de modliser les phnomnes mis en jeu. http://kronos.fbhost.beDcharge couronne, applications et modlisation5I.Les dcharges couronnes : A. Les plasmas Danslanature,touslescorpssontconstituspartird'atomes(oud'assemblages d'atomes, appels molcules). A son tour, un atome est compos : d'un noyau central, charg positivement, qui est un assemblage de protons et de neutrons. d'unnuagepriphriquecomposd'uncortged'lectrons,chargs ngativement, qui tournent des vitesses trs leves autour du noyau. A l'tatsolide,lesatomessontfermementemprisonnsdansunrseaurigide (commedanslaglaceparexemple).Lorsquelatempraturemonte,lesolidese liqufieetpasseltatliquide,olesatomespeuventglisserlesunsparrapport aux autres, ce qui permet au liquide d'pouser la forme d'un rcipient. En continuant dechauffer,l'tatgazeuxestatteint :lesatomessedplacentalorslibrement, indpendamment les uns des autres (l'eau s'est transforme en vapeur).Enfin, de trshautestempratures(plusieursmillionsdedegrs),lesconstituantsdel'atome sesparent,noyauxetlectronssedplacentindpendammentetformentun mlange globalement neutre : c'est un plasma. Unplasmaestungazionisobtenuenfournissantdelnergielamatirepar adjonction dun champ lectrique ou magntique, ou sous forme de chaleur. Cequatrimetatdelamatire,quiseretrouvedanslestoilesetlemilieu interstellaire,constituelamajoritdenotre univers(autourde99 %).Ilnexistepas sur Terre l'tat naturel, si ce n'est dans les clairs ou les aurores borales, mais il estproduitartificiellementenappliquantdeschampslectriquesoumagntiques suffisamment puissants pour sparer le noyau de ses lectrons dans les gaz. On distingue 2 types de plasmas : Les plasmas thermiques pour lesquels les ions, les lectrons et les molcules ontdestempraturessensiblementidentiques,typiquementdelordrede 5 000 K 50 000 K (utilis notamment pour la fusion thermonuclaire). Lesplasmashorsquilibre(ou froid )pourlesquelslatemprature lectronique(1000K10000K)estsuprieurelatempraturedugaz ambiant (gnralement infrieure 500 K). Les plasmas froids peuvent tre forms par des dcharges couronnes. Ces derniressont particulirement bien adaptes la formation de plasmas froid car aucun autre type de dcharges ne permet en effet une localisation et une distribution en nergie des espces (lectrons, molcules neutres ou ions) aussi bien dfinie. http://kronos.fbhost.beDcharge couronne, applications et modlisation6B. Configuration des dcharges couronnes : Lesdchargescouronnessontdesdchargeslectriquespr-disruptivesquise dveloppentdanslintervallegazeuxentredeuxlectrodesfortementasymtriques. Parmilesconfigurationstrsvariesdesystmesdlectrodesutiliss,lesplus courantessontlessystmespointe/plan,multipointe/plan,couteau/cylindre, fil/cylindreoucylindre/cylindre.Ladistanceinter-lectrodesesthabituellement infrieure au centimtre. FigureI-1 Systmes dlectrodes couramment utiliss pour la production de dcharges. Dufaitdecettedissymtrie,lechamplectriqueentrelesdeuxlectrodesest htrogne.Lesdchargescouronnepeuventsappliquerdesmilieuxgazeux varisdespressionsallantdequelquescentainesdepascalsquelques atmosphres.Enrevanche,cesmmespressions,lesplasmasdegazrares exemptsdimpuretsvoluerontpratiquementinstantanmentenarc,entranantle passageauplasmathermique.Enoutre,lesdchargescouronnesontpour avantagedtrefacilesproduiredansdebonnesconditionsdestabilitetde reproductibilit.Suivantlesapplicationsenvisages,lahautetension,quiestgnralement appliquellectrodeactive,peuttrepulse,alternativeoucontinuedepolarit positiveoungative.Lutilisationdunealimentationpulsepermetdegnrerde fortscourantspendantdestempstrsetdoncdobtenir,sanspassagelarc,des lectrons de haute nergie, adapts au traitement de certains polluants. Les tensions detravailhabituellementutilisesvarientdequelqueskilovoltsunetrentainede kilovolts environ tandis que les puissances dpassent rarement quelques kilowatts. C. Formation des dcharges dans les gaz 1.Mcanismes dactivation du gaz et paramtres fondamentaux La formation dun plasma est due un transfert dnergie cintique par collision entre unlectronacclrparunchamplectriqueetlesmolculesneutresdugaz.Les collisions sont de deux types : les collisions lastiques les collisions inlastiques. Lespremiresentranentletransfertdunecertainequantitdemouvementdes lectrons vers les molcules neutres qui se trouvent alors acclres. Ces collisions nemodifientdoncpaslnergieinternedesmolculesenquestion,maissont http://kronos.fbhost.beDcharge couronne, applications et modlisation7responsables de phnomnes thermiques (conduction et diffusion de chaleur au sein du gaz) et hydrodynamiques. Lescollisionsinlastiquessontquantellesresponsablesdelafragmentationdes molcules impactes ou de la modification de la distribution de lnergie (modification deltatvibrationnel,translationneloulectronique).Sisonnergiecintiqueest suffisante,unlectronpeut,lorsdunecollisioninlastique,ioniserouexciterla molcule neutre rencontre. Pourobtenirunedescriptionplusformelledecesprocessus,ilestintressantde dterminerlenombredechocsquesubirallectronparunitdetemps.Nous supposeronsqueladistributiondevitessedesmolculesdugazobitlaloide Maxwell-Boltzmann : En admettant que llectron se dplace une vitesse moyenne v pendant un temps Yt, il parcourt alors la distance v.Yt et balaie un domaine despace de volume Z.v.Yt, Z reprsentantlasectionefficacedecollisionentrellectronetunemolcule.Le nombre de collision est donc gal : Z.v.Yt.N(1) avec N = densit du gaz en nombre de molcules par unit de volume. Lenombredecollisionsparunitdetempssedduitalorsdelexpression prcdente : n = Z.v.N(2) Lanotiondelibreparcoursmoyen,quireprsenteladistancemoyennequepeut parcourirunlectronentredeuxchocssuccessifs,dcoulenaturellementdela relation prcdente : (3) Cettenotionestintressantecarsillectronacclrparlechamplectrique acquiert une nergie cintique suffisante, il pourra alors ioniser ou exciter la molcule neutrerencontre.Laractivitdumilieuplasmagnedpendradoncdes paramtres suivants : Compositiondugazintroduit:lasectionefficaceZ varieenfonctiondela nature du gaz et de son niveau dexcitation lectronique (pour des molcules dansleurtatfondamental,nousavonsparexempleZ(N2)=0,43;Z(CO2)= 0,52 et Z(C6H6)= 0,88) Pression et temprature du gaz introduit Tension applique (responsable de lintensit du champ lectrique) Gomtrie des lectrodes (responsable de la forme des lignes de champ). http://kronos.fbhost.beDcharge couronne, applications et modlisation82.Dcharge de Townsend et critre dauto-entretien de la dcharge Commenousvenonsdelevoir,lnergiecintiquedunlectrondterminesa capacitexciteroudissocierlesmolculesdugazplasmagne.Lnergie acquiseparunlectronplacentredeuxlectrodesdpenddesonlibreparcours moyenetduchamplectriqueauquelilestsoumis.Lobtentiondunnombre dlectrons suffisant pour exciter le gaz de faon significative exige un mcanisme de multiplication.Silnergiedunlectronestsuprieurelnergiedionisationdune molcule M, alors un choc inlastique est susceptible de librer un lectron, ce que traduit lexpression suivante : M + e-]M+ + 2e-Lefficacitdionisationest estime10% pourunlectronpossdantune nergie troisfoissuprieureaupotentieldionisationdelespceconsidre(parexemple, lesnergiesdionisationsdecertainsgazcourammentutilisssont:15,6eVpour N2, 12,2 eV pour O2, 12,6 eV pour H2O ou 13,7 eV pour CO2). Lesdeuxlectronsobtenusparionisationsontalorsacclrsparlechamp lectrique et peuvent leur tour ioniser de nouvelles molcules. Townsendaproposen1914lintroductionduncoefficientdionisation^ (appel premiercoefficientdeTownsend)pourtraduiremathmatiquementcephnomne dionisation. Ce coefficient dpend du champ rduit E/N (avec N dsignant la densit dugaz)etsoninverse1/^ reprsentelelibreparcoursmoyendunlectronentre deuxcollisionsionisantes.Lapparitiondunlectronprimaireauniveaudela cathodesetraduitparlarrivedeexp(^d)lectronsauniveaudelanode.Ce processusestappelavalanchelectronique.LarelationdeTownsendscrit alors :I = I0. exp(^d)(4) Avec I : courant (A) I0: courant initial d aux lectrons primaires (A) d : distance interlectrode (m) ^ : premier coefficient de Townsend (m-1)En dehors de ce mcanisme de multiplication des lectrons propos par Townsend, deslectronssecondairespeuventtremisparimpactdionspositifsM+surla cathodeouparimpactdephotons(mispardsexcitationradiativeaprsimpact lectronique:M+e-] M*+e-] M + e-+ h`) surlacathodeoulesmolcules proches.Laprobabilitdeproduireainsideslectronssecondairessetraduitpar lintroduction dun second coefficient de Townsend : a.Le critre dauto-entretien de la dcharge (nombre adimensionnel) scrit alors : a.(exp(^d)-1) = 1(5) Comme ce mcanisme est consommateur dlectrons, il est comptitif du mcanisme dionisation.Pourprendreencomptecephnomne,ilconvientalorsdintroduire dans la relation de Townsend une probabilit dattachement lectronique b :I = I0.exp( ^- b)d(6) Le critre dauto-entretien de la dcharge scrit donc : a.( exp( ^- b)d-1) = 1(7) http://kronos.fbhost.beDcharge couronne, applications et modlisation93.Loi de Paschen La tension dalimentation minimale pour dclencher la dcharge est appele tension de claquage. Il existe une relation qui lie la valeur de cette tension de claquage la pression du gaz et de la distance interlectrodes : la loi de Paschen. Cette loi est habituellement reprsente par la courbe caractristique Uc = f(p.d), o p estlapressionetdladistanceinterlectrode,etdpenddelanaturedugaz introduit. FigureI-2 Tension de claquage pour diffrents gaz en fonction du produit pression, distance interlectrode. Nouspouvonsconstaterquepourungazpressionatmosphrique,lescourbes passent par un minimum pour une distance interlectrodes denviron 10 Om (p.d = 0,55environ).Celasignifieque,pourlaproductiondedchargespression atmosphriquedansdesconditionsdutilisationusuelles(dc 1 mm),latensionde claquage est une fonction croissante de la distance interlectrode. D. Proprits spcifiques aux dcharges couronnes 1.Caractristique courant-tension et rgimes de dcharge Lacaractrisationcourant-tensiondeladchargecouronneestobtenueenfaisant crotre la tension applique lintervalle gazeux. Diffrents rgimes de dcharge sont alors parcourus (Figure 3). http://kronos.fbhost.beDcharge couronne, applications et modlisation10FigureI-3 Caractristique courant-tension dune dcharge couronne dans lair pression atmosphrique (configuration pointe-plan, distance interlectrode d=13 mm). Lepremierrgime(I)consisteenlacollectedesespceschargesprsentes naturellementdanslemilieu.Cesespcessontproduitesparlimpactderayons cosmiquesoudeparticulesissuesdeladsintgrationspontanedecertains atomes (radioactivit naturelle) sur le gaz prsent dans lespace interlectrodes. Lesecondrgime(II),quiseproduitpartirdunetensionseuilV0, traduitle dclenchementdelavalanchelectroniquedeTownsendmaisnerpondpas encore au critre dauto-entretien de la dcharge. La dcharge est qualifie de non-autonome car elle dpend de processus dionisation externes pour donner naissance aux lectrons germes. Pour ce rgime, le courant augmente trs fortement pour une trs faible variation de la tension applique. Pour le troisime rgime (III), lionisation du gaz par la dcharge est suffisante pour neplusncessiterdephnomnesdionisationextrieurs:ladchargeestauto-entretenue.Cestlergimedeladchargecouronne,oapparaissentlesdards (aussiappelsstreamers)responsablesdelacomposanteimpulsionnelledu courant. Au-del dune tension applique Vr, la temprature du canal augmente fortement, ce qui provoque la dilatation brutale du gaz. Le champ rduit E/N est alors suffisamment important pour que les phnomnes dionisation deviennent majoritaires par rapport lattachement lectronique. Le rgime darc (IV) est atteint, le milieu passe de ltat de plasma hors quilibre ltat de plasma thermique. http://kronos.fbhost.beDcharge couronne, applications et modlisation112.Champ lectrique et topographie de la dcharge Ladissymtriedeslectrodesentranelanonhomognitduchamplectrique. Parmi les configurations les plus tudies, nous retrouvons les configurations pointe-planetcoaxiale(cylindre-cylindreoufil-cylindre).Ladistributionspatialeduchamp lectrique est donne par les deux relations suivantes : En gomtrie pointe hyperbolique-plan : (8) avec E(x) : champ lectrique (V.m-1), U : tension applique la pointe (V), x : distance la pointe sur laxe pointe-plan (m), r : courbure de la pointe son extrmit (m), d : distance interlectrode (m). En gomtrie coaxiale : (9)avec E(r) : champ lectrique (V.m-1), U : tension applique llectrode centrale (V), r : distance radiale du point considr (m), Re: rayon de llectrode externe (m), Ri: rayon de llectrode interne (m). Dessimulationsontteffectuesenconfigurationpointe-planpourdterminerle champ lectrique dans lespace interlectrode avant ou aprs passage du streamer. FigureI-4 Lignes isopotentiel avant (a) et 10 ,s aprs (b) passage du streamer. http://kronos.fbhost.beDcharge couronne, applications et modlisation12 Dans le cas dune gomtrie pointe-plan, le champ intense qui rgne proximit de llectrodeactive(10-19