Study of the dynamics of streamers in air at atmospheric pressure - TEL - Thèses en ligne Accéder directement au contenu
Thèse Année : 2008

Study of the dynamics of streamers in air at atmospheric pressure

Etude de la dynamique des streamers dans l'air à la pression atmosphérique

Résumé

In this Ph.D. thesis we contribute to several aspects of research on streamer physics in air at atmospheric pressure through both experimental and numerical studies. We show that studying transient phenomena such as streamer discharges, whose timescales are very short compared to the operating times in applications, results in useful informations concerning their underlying physical mechanisms. The classical integral model for photoionization generated by streamers in air is very time consuming. In this work we have developed three differential approaches: a three- exponential Helmholtz model, a three-group Eddington model, and a three-group improved Eddington (SP3 ) model. The Helmholtz model is based on approximating the absorption function of the gas in order to transform the integral expression of the photoionization term into a set of Helmholtz differential equations. The Eddington and SP3 methods are based on the direct numerical solution of an approximation of the radiative transfer equation. Finally, we have derived accurate definitions of boundary conditions for these differential models. To take into account the electrode shapes in the simulations, we have adapted the Ghost Fluid Method to solve Poisson's equation in order to calculate the electric potential and field close to the electrode accurately. This method allows us to take into account the influence of the exact shape of the electrodes in the framework of finite volume methods using a regular grid, no matter how the electrode surfaces cross the grid. We use this method in simulations of streamer discharges generated by Nanosecond Repetitively Pulses (NRP) and in Dielectric Barrier Discharges (DBD), both of which involve needle-shaped electrodes. We have carried out simulations in a point-to-point geometry closely linked with recent experimental works in pre-heated air discharges generated by NRP. We found out that by considering the propagation timescales of streamers in these configurations, it is possible to draw some conclusions about the final discharge structure (i.e., sparks or coronas discharges) which are in good agreement with the experiments. In the experimental part of this work, we have studied a particular behavior of plasma filaments in a DBD during the positive half-cycle of the applied voltage. The dynamics of discharges is found to be greatly affected by the surface charge deposited upon the dielectric material. We have simulated a point-to-plane configuration, with a dielectric upon the plane cathode, in order to better understand the influence of the surface charge accumulation on successive discharges in a DBD. In this work we are able to simulate the propagation of the streamer from its ignition close to the anode up to the dielectric material, as well as its splitting into surface discharges upon reaching the dielectric. This simulation provides information on the timescales and processes responsible for plasma filament screening and ignition conditions of successive discharges, which are in agreement with experiment.
Dans cette thèse, nous avons étudié d'un point de vue expérimental et numérique la dynamique et la structure des décharges de type streamer dans l'air à la pression atmosphérique. Deux configurations ont été étudiées: une décharge Nanoseconde Répétitive Pulsée (NRP) entre deux pointes dans l'air préchauffé et une Décharge à Barrière Diélectrique (DBD) dans une configuration pointe-plan. Nous avons montré que les simulations de la dynamique de ces décharges sur des temps courts permettent d'obtenir des informations sur la structure et les propriétés de ces décharges observées expérimentalement, généralement sur des temps plus longs. Dans le cadre de cette thèse, du point de vue de la simulation des décharges, deux nouvelles approches ont été développées: pour le calcul de la photoionisation et pour la prise en compte d'électrodes de forme complexe dans des maillages cartésiens. Pour le calcul de la photoionisation dans l'air, le modèle intégral de référence requiert de longs temps de calcul. Dans ce travail, afin d'éviter de lourds calculs intégraux, nous avons développé plusieurs modèles différentiels qui permettent de prendre en compte la dépendance spectrale de la photoionisation, tout en restant simples et peu coûteux en temps de calcul. Parmi les modèles développés, nous avons montré que le modèle appelé SP3 3-groupes basé sur une approximation d'ordre 3 de l'équation de transfert radiatif était plus précis pour la simulation des streamers. Afin de prendre en compte des électrodes de forme complexe dans les simulations, nous avons adapté une méthode GFM (“Ghost Fluid Method”) pour résoudre l'équation de Poisson afin de calculer précisément le potentiel et le champ électrique près de l'électrode. Cette méthode nous permet de prendre en compte l'influence de la forme exacte de l'électrode dans un maillage régulier, et ce quelque soit la forme de l'électrode. Nous avons réalisé des simulations en géométrie pointe-pointe étroitement liées à de récents travaux expérimentaux concernant des décharges générées par NRP dans de l'air préchauffé. Nous avons étudié la dynamique de la décharge dans l'espace inter-électrode pour différentes températures de l'air et différentes tensions appliquées. Nous avons montré que la structure de la décharge dépendait fortement de la tension appliquée, ce qui est en bon accord avec les expériences. Dans la partie expérimentale de ce travail, nous avons étudié un comportement particulier des filaments de plasma dans une DBD pendant la demi-alternance positive de la tension appliquée. La dynamique des décharges est fortement affectée par la charge de surface déposée sur le diélectrique. Nous avons simulé une configuration pointe-plan avec un diélectrique plan sur la cathode dans le but de mieux comprendre l'influence de l'accumulation de la charge de surface sur l'allumage et la propagation de décharges successives dans une DBD. Dans ce travail, nous avons simulé la propagation d'un streamer initié près de l'anode jusqu'au diélectrique, ainsi que la formation d'une décharge de surface sur celui-ci. Nous avons ainsi déterminé les échelles de temps et les processus responsables de l'écrantage d'un filament de plasma et les conditions d'allumage des décharges successives. Les résultats obtenus sont en bon accord avec l'expérience.
Fichier principal
Vignette du fichier
these_celestin.pdf (11.11 Mo) Télécharger le fichier
Loading...

Dates et versions

tel-00463743 , version 1 (15-03-2010)

Identifiants

  • HAL Id : tel-00463743 , version 1

Citer

Sébastien Celestin. Study of the dynamics of streamers in air at atmospheric pressure. Engineering Sciences [physics]. Ecole Centrale Paris, 2008. English. ⟨NNT : ⟩. ⟨tel-00463743⟩
461 Consultations
1059 Téléchargements

Partager

Gmail Facebook X LinkedIn More