Contribution à la modélisation instationnaire et tridimensionnelle du comportement dynamique de l'arc dans une torche de projection plasma

Discipline

Matériaux Céramiques et Traitements de Surface

Classification

Technologie (Sciences appliquées),

Sciences de l'ingénieur

Mots-clés libres

modélisation 3D, projection plasma, arc électrique

Mots-clés

Modélisation tridimensionnelle - Thèses et écrits académiques,

Jets de plasma - Thèses et écrits académiques,

Arc électrique - Thèses et écrits académiques

Ce travail, mené dans le cadre d'une collaboration avec le CEA-DAM du Ripault et le laboratoire Mécanique des Fluides et Transferts Thermiques d'EDF, porte sur la modélisation 3D et instationnaire du comportement de l'arc électrique et de la formation du jet de plasma dans une torche de projection plasma. Après avoir rappelé les différents modes de fonctionnement de ce type de torche : mode stationnaire, mode fluctuant et mode de claquage-réamorçage, nous détaillons la structure de l'arc électrique, et, en particulier, les zones cathodiques et anodiques. Puis, nous résumons les principaux modèles numériques proposés dans la littérature pour simuler le comportement de l'arc dans la tuyère. Cette revue permet de définir les hypothèses les plus couramment formulées pour étudier les arcs électriques : E.T.L., fluide newtonien, écoulement laminaire, incompressible et stationnaire, plasma optiquement mince. Nous présentons ensuite la formulation mathématique du modèle magnéto-hydrodynamique 3D et instationnaire mis en œuvre pour décrire l'interaction entre l'écoulement de gaz et l'arc électrique, ainsi que les principales hypothèses et conditions aux limites que nous avons utilisées. Dans ce modèle, le claquage de l'arc repose sur une valeur limite Ec du champ électrique local alors que le réamorçage est réalisé grâce à une colonne chaude imposée dans la zone de la tuyère où la valeur locale du champ électrique dépasse la valeur de consigne Ec. Les équations du modèle sont résolues à l'aide de la chaîne logicielle ESTET 3.4. Ce modèle prédit bien de façon qualitative le comportement dynamique de l'arc, en particulier en fonction de la nature du gaz plasmagène ; il conduit à des températures et vitesses de gaz en sortie de tuyère présentant un accord raisonnable avec celles déterminées expérimentalement. Par contre, il surestime la tension d'arc et les dimensions de la tache anodique.