Aujourd’hui, il semble que la méthode la plus prometteuse pour intensifier la combustion repose sur l’excitation hors-équilibre du mélange gazeux, qui permet ainsi de modifier la cinétique chimique. Pour obtenir une excitation efficace des degrés de liberté électronique et vibrationnel des molécules, l’utilisation d’une alimentation pulsée associée à une énergie des électrons adéquate est proposée. Ce travail de thèse porte sur l’application de générateur d’impulsion électrique haute fréquence capable de délivrer des pulses de 20 kilovolts pendant 20 nanosecondes ayant des temps de montée de l’ordre de 5 nanosecondes en combustion. Cette étude s’articule autour de deux grands axes de recherche. Le premier est la génération, à pression atmosphérique et à pression réduite, d’espèces excitées (oxygène électroniquement excité O2(a1?g), O2(b1Sg+) et oxygène atomique excité) ainsi que leur caractérisation par spectroscopie d’émission. Le second axe de recherche concerne leur utilisation pour l’intensification de la combustion. La première partie expérimentale s’est focalisée sur la génération d’oxygène électroniquement excité par plasma décharge à barrière diélectrique et décharge croisée dans des mélanges O2/He et O2/Ar. La décharge croisée est une cellule à barrière diélectrique pulsée qui est croisée avec une composante continue (DC). Dans ce cas, l’étape d’ionisation est réalisée par la DBD pulsée alors que la composante continue supporte le courant électrique entre chaque pulse. Le gaz produit par cette installation est étudié de manière exhaustive par spectroscopie d’émission. Ce travail, indispensable pour caractériser l’installation et obtenir les conditions initiales nécessaires pour les calculs de flamme, repose sur différents spectromètres et caméras. La première des applications potentielles dans le domaine de la combustion concerne l’intensification de la combustion par activation de l’oxygène. La conception de prototypes de brûleurs hybrides, intégrant un réacteur plasma nous a permis de valider cette technique d’intensification de la combustion et de la comparer à une flamme classique sans plasma. Finalement, la modélisation des paramètres fondamentaux d’une flamme de prémélange et de diffusion est entreprise par le logiciel CHEMKIN. L’effet promoteur de l’oxygène excité sur une flamme d’hydrogène a pu être modélisé. / Nowadays it seems that the most promising method for accelerating combustion is the non-equilibrium excitation of the gas mixture components, which allows one to affect the chemical reaction kinetics. To enable more efficient excitation of the electronic and vibrational degrees of freedom, one should use short-duration (nanosecond) pulses with a high reduced electric field. The present work focuses on the application of high frequency high voltage pulse discharges capable of delivering an electric pulse of 20 kV during 20 ns with controlled voltage rise time of 5 ns and at a frequency up to 25 kHz in combustion. This study articulates around two major research axis; that of the generation of excited species and particularly the feasibility to produce excited oxygen species in its singlet electronic states O2(a1?g) and O2(b1Sg+) by a non-thermal electric discharge, at reduced pressure until atmospheric pressure and its characterization by emission spectroscopy. The second research axis concerns their use for the intensification of combustion. The experimental part of the study concerns investigation of singlet oxygen production in the application of a dielectric barrier discharge in O2/He and O2/Ar binary mixtures. The second discharge is a special crossed discharge plasma-chemical reactor that has been developed. This crossed discharge consists of a hybrid discharge in which short high voltage pulses produce ionization while a comparatively low electric field supports the electric current between ionizing pulses. The gas produced by this installation is intensively studied by emission spectroscopy. This work, indispensable to characterize the installation and to obtain initial conditions necessary for flame calculations, relies on different spectrometers and intensified camera. The first potential in the combustion field is to significantly improve combustion efficiency and reduce pollutant emissions using oxidizer “activation”. Conception and development of hybrid plasma burner prototypes, integrating crossed discharge plasma reactor allows us to validate this application by comparing with a classical flame without plasma activation. Finally, modelling of premixed flame fundamental parameters is undergone with CHEMKIN software. The promoting effect of excited oxygen on hydrogen flame has been characterized.

Les décharges Nanosecondes Répétitives Pulsées (NRP) sont de plus en plus utilisées dans diverses applications, en particulier dans la combustion assistée par plasma et le contrôle d'écoulement aérodynamique. Tout d'abord, nous étudions les effets thermiques et hydrodynamiques d'une décharge NRP en utilisant des mesures de Schlieren rapide quantitatives et des analyses numériques dans l'air à la pression atmosphérique à 300 et 1000 K. Les images Schlieren résolues en temps montrent l'expansion du canal de gaz chauffé à partir de 50 ns après la décharge et la propagation d'ondes de choc à partir d'environs 500 ns. L'onde de choc change de forme cylindrique à sphérique après 3 µs. Nous analysons des images Schlieren enregistrées à partir de 50 nanosecondes à 3 microsecondes après la décharge. Des profils de densité de gaz simulés en coordonnées cylindriques 1-D sont utilisés pour reconstruire des images Schlieren numériques pour la comparaison avec les résultats expérimentaux. Nous proposons une méthode originale pour déterminer la température du gaz initial et la fraction de l'énergie transférée dans le chauffage rapide, en utilisant une comparaison des profils de contraste d'images obtenues à partir d'images Schlieren expérimentales et numériques. Les résultats montrent qu'une fraction importante de l'énergie électrique est convertie en chauffage du gaz en quelques dizaines de nanosecondes. Les valeurs vont de 25 % pour un champ électrique réduit de 164 Td dans l'air à 300 K à environ 75 % à 270 Td dans l'air à 1000 K. Celles-ci reflètent les processus de chauffage rapide par quenching dissociatif de N2(B,C) par l'oxygène moléculaire. Deuxièmement, nous fournissons une base de données pour tester la modélisation cinétique de l'allumage pauvre de mélange par les décharges NRP. Le rayon d'allumage initial, le développement du noyau d'allumage à des pressions jusqu'à 10 bar sont caractérisées. Les comparaisons avec un allumeur classique montrent que de meilleurs résultats sont obtenus avec des décharges NRP en termes de vitesse de propagation de la flamme, en particulier à haute pression, où la vitesse de flamme augmente jusqu'à 20% à 10 bar en raison de l'augmentation de plissement du front de flamme induit par les décharges NRP. Enfin, nous étudions la réponse dynamique d'une flamme à l'actionnement par les décharges NRP dans un brûleur 12-kW. Les résultats montrent une réduction significative (75%) de la hauteur de décollement de flamme après l'application des décharges NRP. Le mécanisme en jeu est l'entrainement des radicaux OH et de la chaleur produite par la décharge vers la couche de cisaillement de gaz frais entrant. Cette étude ouvre ainsi de nouvelles perspectives vers le contrôle des instabilités de combustion. / Nanosecond repetitively pulsed (NRP) discharges are being increasingly used in various applications, in particular in plasma-assisted combustion and aerodynamic flow control. First, we studied the thermal and hydrodynamic effects of NRP discharges using quantitative Schlieren measurements and numerical analyses in atmospheric pressure air. The time resolved images show the expansion of the heated gas channel starting from as early as 50 ns after the discharge and the shock-wave propagation from about 500 ns. Gas density profiles simulated in 1-D cylindrical coordinates are used to reconstruct numerical Schlieren images for comparison with experimental ones. We propose an original method to determine the initial gas temperature and the fraction of energy transferred into fast gas heating, using a comparison of the contrast profiles obtained from experimental and numerical Schlieren images. The results show that a significant fraction of the electric energy is converted into gas heating within a few tens of ns. The values range from 25 % at a reduced electric field of 164 Td in air at 300 K to about 75 % at 270 Td in air preheated to 1000 K, which supports the fast heating processes via dissociative quenching of N2(B, C) by molecular oxygen. Second, we provide a database to test the kinetic modeling of lean mixture ignition by NRP discharges. We characterize the initial spark radius and the ignition kernel development at pressures up to 10 bar. Comparisons with a conventional igniter show that better results are obtained with NRP discharges in terms of flame propagation speed, especially at high pressure. The flame speed increases by up to 20 % at 10 bar due to the increased wrinkling of the flame front induced by NRP discharges. Finally, we investigate the dynamic response of a flame to actuation by NRP discharges in a 12-kW bluff-body stabilized burner. The results show a significant reduction in flame lift-off height, within 5 ms after applying the NRP discharges. The mechanism is attributed to the entrainment of the OH radicals and heat towards the shear layer of incoming fresh gases. This opens up new applications in the control of combustion instabilities.

Dans le contexte actuel de réchauffement climatique et d'épuisement des ressources énergétiques fossiles conventionnelles, la production d'énergie à partir de combustibles renouvelables (biomasse et déchets) présente un intérêt croissant. Cependant les brûleurs industriels conventionnels sont mal ou pas adaptés pour la valorisation énergétique de combustibles pauvres qui sont pourtant peu couteux et largement disponibles. Les électro-brûleurs, basés sur une assistance à la combustion par plasma thermique, sont alors une solution pour ce type de combustible. Ce travail de thèse a pour objectif le développement d'une torche à plasma triphasée d'une puissance de 100 kW, fonctionnant à l'air et facilement intégrable dans un électro-brûleur industriel. Le premier challenge consiste à rendre possible le fonctionnement à l'air en réduisant autant que possible l'érosion à l'air des électrodes en graphite. Pour cela, des solutions de gainage des électrodes à l'azote ou au méthane, de contrôle aérodynamique de l'écoulement de l'air et d'injection de particules de carbone ont été étudiées. Le deuxième challenge est l'optimisation des transferts de masse et de chaleur, ce qui a été réalisé en améliorant l'écoulement du gaz plasmagène et en choisissant les matériaux adéquats pour l'isolation thermique. Une double approche théorique et expérimentale a été adoptée. Au niveau théorique, un modèle d'écoulement turbulent de plasma a été développé avec une modélisation de l'arc électrique par une source stationnaire de chaleur et de quantité de mouvement. Un modèle de rayonnement à bandes du plasma ainsi qu'un modèle de cinétique chimique ont été intégrés. Les résultats de la simulation montrent le rôle important du rayonnement, la limitation du gainage à l'azote et le potentiel intéressant du gainage au méthane. La simulation a permis aussi de valider le design de la nouvelle torche avant les essais. Au niveau expérimental, une nouvelle conception de torche a été proposée et testée. Les essais réalisés montrent que la protection des électrodes par injection de particules de carbone ne suffit pas pour créer une atmosphère neutre autour des électrodes mais que le contrôle aérodynamique de l'écoulement de l'air permet un meilleur contrôle de l'érosion des électrodes. Des essais préliminaires de combustion assistée par plasma de biomasse solides ont été ensuite réalisés et analysés. / Energy production from renewable combustibles like biomass and organic wastes presents an increasing interest with the urgent need to reduce greenhouse gas emissions and the depletion of conventional fossil energy resources. Meanwhile, standard industrial burners are not adequate for the energetic valorization of renewable poor LHV combustibles despite their low price and their abundance in nature. Electro-burners, with plasma assisted combustion technology, are a promising solution for this type of combustible. In this PhD dissertation is detailed the development of a 100 kW plasma torch working in air and embeddable in an industrial electro-burner. It consists firstly, in making possible an operation in oxidizing environment by reducing as much as possible the air erosion of the graphite electrodes. For this purpose, multiple solutions are tested such as sheathing with nitrogen and methane, aerodynamic control of air flow and injection of carbon black particles. The second challenge is the optimization of heat and mass transfers by improving the plasma flow and by choosing the appropriate materials for thermal insulation. Theoretically, a turbulent model of plasma flow is developed with the modeling of the electric arc column as a stationary source of heat and momentum. A multi-band radiation model and a reactional kinetic model are also integrated. The results show the important role of radiation, the limitation of the nitrogen sheathing and the potential of methane injection in reducing electrode erosion. They allowed also validating the design of the plasma torch before the tests. Experimentally, the new torch design is built and tested. It comes out that reducing the electrode erosion by carbon powder injection is not efficient to achieve a neutral environment around the electrodes whereas a control of the nearby air flow appears to be beneficial. Finally, tests of plasma assisted combustion of some biomasses are performed and analyzed.