Mise Au Point D Une M Thode De Mesure Dynamique De Densit De Gaz Neutre Utilisant La Jauge Ionisation Application Au Diagnostic D Un Plasma Form Par Injection Dans Une Configuration Miroirs

Mise au point d'une méthode de mesure dynamique de densité de gaz neutre utilisant la jauge à ionisation. Application au diagnostic d'un plasma formé par injection dans une configuration à miroirs

Diagnostic des plasmas de combustion par sonde d'ionisation

Les sondes d'ionisation sont utilisées depuis longtemps pour réaliser des diagnostics dans les plasmas. Les recherches pour appliquer cette technologie dans le domaine de la combustion sont motivées par le fait que la flamme génère des espèces chargées et se comporte donc comme un plasma faiblement ionisé. Différentes applications de cette technique ont été étudiées au cours de ces dernières années. Ces études ont montré que le courant d'ionisation dépend de nombreux paramètres liés à la combustion (richesse, pression, température...) mais le manque d'outils théoriques rend l'interprétation des résultats complexe et limite pour l'instant l'utilisation de la technique, particulièrement sur les moteurs à combustion interne. L'objectif de cette thèse est de proposer des outils théoriques simples permettant de mieux comprendre les phénomènes d'interaction flamme-sonde et de démontrer le potentiel de ce diagnostic en particulier pour l'étude de l'interaction flamme-paroi. Pour les motoristes l'enjeu des technologies futures sera de proposer une motorisation ayant de faibles émissions polluantes tout en conservant un coût de conception et de réalisation compétitif. La diminution des niveaux d'émission de CO2 et de polluants devra donc passer par des technologies innovantes sans toutefois avoir recours à des post-traitements trop complexes et donc couteux. L'une des caractéristiques de la combustion dans un moteur à allumage commandé est que la flamme atteint par endroit la paroi alors que seulement 30% de la charge a été consommés. Ainsi une grande partie du combustible brûle en proche parois. La présence de cette forte proportion de combustible au niveau de la paroi s'explique par le fait que la charge fraîche se trouvant devant la flamme de prémélange est comprimée sous l’action combinée du mouvement du piston et de la détente de gaz brûlés situés derrière le front de flamme, l'essentiel de la charge se trouvant alors concentrée prés des bords de la chambre. Ainsi pour le développement et l'amélioration du fonctionnement des moteurs à allumage commandé, il est indispensable de s'intéresser aux mécanismes de l'interaction flamme-paroi. Les techniques de diagnostic qui sont utilisées aujourd’hui pour mesurer les paramètres caractéristiques de l'interaction flamme-paroi ne fonctionnent pas dans certaines conditions de pressions et de température. Les échelles spatiale et temporelle du phénomène diminuent en effet fortement sous l'effet d'une augmentation de la pression. Ainsi les techniques optiques sont limitées par leur résolution spatiale. Les travaux proposés dans cette thèse montrent que les sondes d’ionisation permettent de mesurer les paramètres qui caractérisent l'interaction flamme-paroi et notamment pour des conditions de pression et de température supérieures à celles des autres méthodes. Le développement de modèles théoriques simples ont permis de mesurer différents paramètres comme la distance de coincement de la flamme, la vitesse de flamme ou bien encore la température, à partir de l'analyse du courant d'ionisation. Ces mesures ont été réalisées pour différentes géométries d'interaction flamme-paroi et différents type de mélanges. Des mesures combinées par diagnostics optiques (PIV, LIF, visualisation directe) et par mesure du flux de chaleur pariétal ont permis de valider l'ensemble des résultats obtenus sur différentes gammes de pression. Le diagnostic par sonde d'ionisation permet donc de mesurer avec une bonne résolution spatio-temporelle les paramètres de l'interaction flamme-paroi. L'amélioration du diagnostic passe notamment par une augmentation de la fréquence d’excitation de la sonde (Radio-fréquence). Cependant les essais réalisés ont mis en évidence que les mécanismes de conduction de la flamme changent sous l'influence de nombreux paramètres comme la densité du gaz ou la fréquence d'excitation. Les résultats obtenus sur la polarisation de la flamme montrent notamment une augmentation de la chute de potentiel anodique sous l'effet de la pression. Les propriétés électriques de la flamme à haute pression ont donc été étudiées expérimentalement et théoriquement. La modélisation de la cinétique chimique de la flamme à haute pression a permis de mettre en évidence la diminution de la concentration d'électrons dans le front de flamme. Par ailleurs les mécanismes d'attachement et de détachement électroniques qui ont lieu dans la zone de coincement ont un impact fort sur les mécanismes de polarisation de la flamme. Il est donc nécessaire de tenir compte des effets de densité du gaz dans les modèles de courant d'ionisation à haute pression. L'amélioration des techniques de mesures du courant d'ionisation proposées dans cette thèse passe donc à l'avenir par une étude approfondie des propriétés électriques de jonctions.

Analyse directe par plasma inductif des polluants élémentaires dans les effluents gazeux d'installations industrielles

Le contrôle des effluents gazeux d'installations industrielles est un enjeu important du point de vue de l'environnement. En ce qui concerne les métaux lourds, il n'existe à l'heure actuelle aucune méthode ou appareillage permettant d'effectuer ce contrôle en continu. La méthode directe étudiée ici consiste à injecter le gaz à contrôler dans un plasma inductif d'analyse. Les points clefs de cette technique, pour ce qui concerne la précision et la justesse des mesures, réside dans l'étalonnage et dans le contrôle de la composition du gaz. L'étalonnage est réalisé à partir d'un aérosol étalon produit par nébulisation d'une solution étalon. Cet aérosol est ensuite désolvaté puis injecté dans le plasma. Les phénomènes de re-solvatation qui modifient la composition réelle de l'aérosol atteignant le plasma ont été étudiés en détail. Ces phénomènes dépendent de la température, du temps de séjour, de l'élément et de la nature du sel. Des phénomènes de co-entraînement ont été mis en évidence. Un étalonnage précis exige que soient effectués des bilans matière sur le système de nébulisation utilisé. Un nébuliseur commercial a été modifié pour atteindre les performances requises. La composition du gaz échantillon joue également un rôle déterminant. Les gaz à contrôler sont souvent des gaz moléculaires dont les propriétés de transport modifient sensiblement les caractéristiques du plasma. Si la composition du gaz varie en cours de mesure, il en résulte des variations de températures et d'intensité qui conduisent à des résultats erronés. Cette méthode a été mise en œuvre au cours de deux tests sur site dont les résultats sont comparés et analysés : un procédé de vitrification de cendres volantes, fonctionnant à l'air, et une chaufferie industrielle utilisant du charbon. Dans ce dernier cas la composition des gaz de sortie variait continuellement et c'est l'utilisation de conditions opératoires de compromis qui a permis de minimiser les effets de ces variations sur les résultats analytiques.