Contribution La Mod Lisation Tridimentionnelle Du Proc D De Projection Par Plasma Et Application Un Dispositif Deux Torches
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Contribution à la modélisation tridimentionnelle du procédé de projection par plasma et application à un dispositif à deux torches
Ce travail porte sur la modélisation tridimensionnelle et instationnaire du procédé de projection par plasma d'arc. Nous situons d'abord celui-ci parmi les autres procédés de projection thermique et détaillons les principaux phénomènes qui contrôlent le traitement de la poudre et la construction du dépôt. L'étude bibliographiquer fait, ensuite, l'état de l'art sur la modélisation de ce procédé et en dégage les points clés à retenir pour un modèle " réaliste ". Nous présentons alors le modèle développé et la chaine logicielle ESTET 3.4 utilisée pour résoudre les équations du modèle. Puis, nous discutons l'influence des paramètres du modèle et des paramètres opératoires sur la modélisation du jet plasma s'écoulant dans l'air ambiant, le traitement des particules et la construction du dépôt. Enfin, nous appliquons ce modèle à une simulation d'un dispositif expérimental utilisant 2 torches à plasma destiné à tester la tenue d'un marériau composite à un flux de gouttelettes d'alumine
Contribution à la modélisation instationnaire et tridimensionnelle du comportement dynamique de l'arc dans une torche de projection plasma
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
Vers un modèle numérique fiable du fonctionnement d'une torche de projection plasma à courant continu
La projection plasma est une technologie de dépôt qui utilise un jet de plasma pour accélérer, chauffer, fondre et déposer des particules de poudre sur un substrat et ainsi, élaborer un revêtement. La reproductibilité du procédé dépend en grande part des fluctuations d'enthalpie et de vitesse du jet de plasma et de l'usure des électrodes. Les torches à plasma à anode cascadée permettent une longueur d'arc stabilisée et ainsi d'atteindre le premier objectif. Cependant, leur géométrie ne garantit pas l'absence d'érosion des électrodes. L'étude des processus électromagnétiques et thermiques à l'intérieur de la torche peut aider à contrôler les propriétés du jet de plasma et à réduire l'érosion des électrodes, et en particulier de l'anode. Ce travail porte sur la simulation d'une à plasma commerciale (la torche SinplexProTM d'Oerlikon Metco) fonctionnant à l'argon sous pression atmosphérique. Il a été mené en deux étapes. La première a consisté à développer un modèle à l'équilibre thermodynamique local (ETL) du comportement dynamique de l'arc dans la torche. La tension d'arc et les pertes thermiques de la torche prédites par ce modèle sont est en bon accord avec celles mesurées pour un faible débit de gaz et un courant électrique élevé. Pour de telles conditions de fonctionnement, le modèle prédit un pied d'arc constricté à l'anode. Le modèle ETL a ensuite été utilisé pour tester deux méthodes pour faire tourner le pied d'arc sur la paroi de l'anode: une injection du gaz en vortex et un champ magnétique externe axial. L'injection du gaz avec un angle de 45° tourbillonnaire s'est avérée plus efficace qu'avec l'angle de 25° actuellement utilisé sur ce type de torche. La seconde étape de ce travail a consisté à développer un modèle à deux températures. Ce modèle considère deux formulations pour l'enthalpie des électrons et celle des espèces lourdes, qui différent par l'attribution de l'énergie d'ionisation à l'une ou l'autre des particules. Le modèle 2T avec les deux formulations prédit un pied d'arc diffus à l'anode et des tensions d'arc en bon accord avec les valeurs expérimentales pour une large plage de courant et de débit de gaz. Le mode diffus du pied d'arc anodique semble confirmé par l'observation d'anodes usées ayant fonctionné dans les mêmes conditions. La formulation de l'équation de l'énergie avec l'énergie d'ionisation assignée aux électrons a un coût de calcul acceptable et présente des résultats plus raisonnables en termes de température des électrons et des espèces lourdes. Cette formulation sera utilisée tive pour le développement ultérieur du modèle et son extension à des gaz diatomiques.