Un moyen d'accroître l'efficacité et de réduire la pollution dans les domaines du transport et de l'énergie consiste à concevoir des injecteurs de carburant produisant une meilleure atomisation. Au cours de cette thèse, des expériences ont été effectuées sur un injecteur airblast souvent utilisé dans les turbines à gaz. Pour réaliser ces expérimentations, un dispositif modèle en configuration annulaire a été créé afin d'étudier le cisaillement d'un film d'eau soumis à un écoulement d'air interne à forte vitesse. La technique d'imagerie rapide par ombroscopie a été utilisée pour analyser le développement du film liquide (fréquence et célérité des ondes) et l'atomisation de la nappe en sortie d'injecteur (modes de rupture). La modification des paramètres d'injection (vitesse des écoulements) a révélé un lien entre la topologie du film liquide et le régime d'atomisation primaire. Finalement, à titre exploratoire, l'influence de la géométrie de l'injecteur (longueur de préfilm) sur le mode d'atomisation primaire a également été mise en évidence

Le procédé de soudage MIG-MAG repose sur l'utilisation d'un arc électrique pour transférer des gouttes de métal fondu d'une électrode consommable (l'anode) vers la pièce à souder (la cathode) sous protection gazeuse contrôlée. Différents régimes de transfert peuvent exister, selon le choix notamment du courant et la composition du gaz de protection : le régime pulvérisation axiale, préféré par les utilisateurs, est obtenu pour un courant suffisamment élevé sous argon seul ; Pour un courant plus faible ou lorsque du CO2 est ajouté en quantité suffisante dans le gaz, le transfert devient globulaire, de moindre qualité. L'objectif du travail présenté dans ce mémoire est de définir les conditions permettant d'obtenir le régime de pulvérisation axiale pour le taux de CO2 dans le gaz de protection le plus élevé possible et/ou un courant d'arc le plus faible possible. Les travaux réalisés sont basés sur l'observation de l'arc par imagerie rapide pour déterminer les conditions de la transition entre les deux régimes de soudage. Le diagnostic de la colonne de plasma a été réalisé par spectroscopie optique d'émission en utilisant une méthode originale donnant accès à la température et la densité électronique sans hypothèse sur l'état d'équilibre du milieu. Les résultats obtenus ont permis de déterminer la répartition des vapeurs métalliques dans la colonne pour différents régimes de fonctionnement. L'analyse en microscopie électronique à balayage de l'électrode consommable a permis de comprendre les phénomènes se produisant aux électrodes lors de la transition entre les régimes globulaires et de pulvérisation axiale. En particulier, il s'avère que les éléments minoritaires de l'acier constituant l'électrode consommable ont une grande influence sur les résultats obtenus, et que leur contrôle permet une amélioration significative des performances du procédé de soudage.

Les arcs impulsionnels sont des arcs électriques établis d'une façon générale lors de la séparation entre deux contacts électriques. Ces arcs indésirables mais inévitables peuvent causer des dégâts en raison d'un important transfert d'énergie vers les électrodes. Lors de l'interaction entre l'arc et l'électrode, cette dernière s'érode entraînant une contamination plus ou moins importante du plasma par les vapeurs des éléments issues de cette érosion et pouvant conduire à une modification notable de ses propriétés. Le travail présenté dans ce mémoire consiste à étudier par une approche expérimentale une configuration d'arc impulsionnel. La première étape indispensable à cette étude est la conception et la réalisation d'un dispositif spécifique permettant de simuler et de caractériser ce type d'arc. Des techniques de diagnostic adaptées au dispositif utilisé ont été développées dans ce travail. Les caractéristiques physiques du plasma (température, densité électronique...) déterminées par spectroscopie optique d'émission associées aux caractéristiques électriques de l'arc ont été corrélées avec les résultats de la visualisation effectuée par imagerie rapide de l'érosion de l'électrode et de la géométrie de l'arc durant son extinction. Des travaux spécifiques sur l'évolution de la tension totale d'arc en régime transitoire ont été réalisés en détaillant les chutes de tension aux électrodes et à la colonne. Par ailleurs des mesures spectroscopiques ont montré l'influence de divers paramètres (nature de l'anode, amplitude et forme de l'onde de courant) sur la température du plasma. Nous avons ainsi mis en évidence que les propriétés du plasma pour une configuration donnée, ne dépendent pas uniquement de la valeur instantanée du courant mais sont également fonctions de l'état antérieur de l'arc / The impulse arcs are electric arcs established generally during the separation between electrical contacts. These undesirable and unavoidable arcs can cause damage because of an important energy transfer to the electrodes. During the arc-electrodes interaction, electrodes erosion may involve an important contamination of the plasma by the vapors of the materials resulting from this erosion and may lead to a notable modification of its properties. The work presented in this thesis is an experimental approach of impulse arc configuration. The first essential stage to this study is the design and the realization of a specific device to simulate and characterize this kind of arc. Techniques of diagnostic adapted to the device were developed in this work. The plasma characteristics (temperature, electron number density...) determined by optical emission spectroscopy associated with the electrical characteristics of the arc were correlated with the results of the fast imaging visualization of the electrode erosion and of the arc geometry during its extinction. A specific study was developed to precisely determine the evolution of the arc voltage in transient state, separating the electrode voltage drop from the plasma column voltage. Spectroscopic measurement showed the influence of various parameters (nature of the anode, current pulse) on the plasma properties. In particular we put in evidence that these properties are not only dependent on the instantaneous value of the current, but depend also on the previous arc story

Ce travail de thèse s'inscrit dans le cadre général de l'étude des régimes instables et turbulents dans le plasma magnétisé de la machine de laboratoire Mirabelle. L'existence de gradients de pression et de potentiel transverses au champ magnétique entraîne l'apparition d'instabilités d'ondes de dérives et de types modes flûtes à l'origine d'un transport de particule non-diffusif à travers les lignes de champ magnétique. L'étude expérimentale de ces mécanismes de turbulence repose sur la maîtrise de méthodes de diagnostics adaptées dont la physique s'avère également complexe. Une première partie du travail est consacrée à la mesure des profils d'équilibre par sondes électrostatiques. En complément des sondes de Langmuir classiques, nous avons validé l'utilisation des sondes émissives pour la mesure directe du potentiel plasma dans Mirabelle. Nous nous sommes aussi intéressés au développement de la sonde ball-pen comme une méthode de diagnostic alternative aux deux sondes précédentes permettant également de mesurer directement le potentiel plasma. Une étude paramétrique complète de son fonctionnement nous a permis d'isoler plusieurs critères sur la géométrie de la sonde et son électronique qu'il est indispensable de satisfaire pour obtenir une mesure fiable dans un plasma basse température faiblement magnétisé. La seconde partie du travail est dédiée à la mesure des fluctuations du plasma et du transport turbulent qu'elles induisent. L'utilisation de l'imagerie rapide en tant que diagnostic permettant d'obtenir une mesure bi-dimensionelle non perturbative des fluctuations de densité du plasma a été validée dans le plasma d'hélium de la machine Mirabelle. La combinaison de mesures spectroscopiques et de mesures avec filtres interférentiels, ainsi que l'étude détaillée des différentes transitions radiatives mises en jeu, nous ont permis d'établir le lien explicite entre la densité électronique et la lumière émise naturellement par le plasma. La question délicate de la mesure du transport turbulent par triple sondes électrostatiques est discutée en détails. Différents types de sondes, émissives et sondes de Langmuir conventionnelles, ont été utilisées pour mesurer le transport turbulent dans un régime instable d'ondes de dérive. La contradiction entre les résultats obtenus à partir des différentes méthodes de diagnostics nous a amené à reconsidérer la fiabilité des mesures de transport par triple sonde / The general framework of this thesis is the study of unstable and turbulent regimes in the magnetized plasma device Mirabelle. The existence of pressure and potentiel gradients accross the magnetic field leads to drift-wave and flute mode instabilities which are responsible for non-diffusive cross-field particle transport. The experimental investigation of these turbulence mechanisms needs specific diagnostic methods that turn out to be complex. The first part of the work is devoted to equilibrium profile measurements by electrostatic probes. In addition to conventional Langmuir probes, we have validated the use of emissive probes for direct measurements of the plasma potential in the Mirabelle device. We have also developed the ball-pen probe as an alternative diagnostic method to directly measure the plasma potential. A full parametric study allowed us to find several criteria on the probe geometry and electronics wich are essential to be fulfilled to obtain reliable measurements in a low-temperature and low-magnetized plasma. The second part of the work is dedicated to plasma fluctuations and fluctuations induced transport measurements. The use of fast imaging as a diagnostic tool to obtain a nonperturbative and bi-dimensional plasma density fluctuation measurement has been validated in the helium plasma of the Mirabelle device. The combination of spectroscopic and interference filters measurements, as well as the detailed study of various radiative transitions, allowed to establish an explicit link between the electron density and light naturally emitted by the plasma. The delicate question of the extent of turbulent transport by triple electrostatic probes is discussed in detail. Different types of probes, emissive probes and conventional Langmuir probes, were used to measure the turbulent transport in an unstable drift-wave regime. The contradiction between the results obtained from the different diagnostic methods has led us to reconsider the reliability of transport measurements by triple probe

Cette thèse s'inscrit dans le cadre des recherches visant à caractériser les structures turbulentes dans les plasmas et le transport que celles-ci peuvent engendrer. En complément des mesures par sondes de Langmuir, utilisées pour étudier localement le transport généré par les instabilités, une caractérisation spatiale des structures turbulentes est réalisée dans une section droite de la colonne de plasma grâce à l'utilisation de l'imagerie rapide. L'intensité lumineuse a été reliée à la densité électronique du plasma par la comparaison avec des mesures de sondes et l'utilisation conjointe de filtres interférentiels. Des outils de traitement de données ont été adaptés aux spécificités de l'imagerie (filtrage, extraction de séries temporelles, vélocimétrie). Il a été montré qu'une détection des couplages non-linéaires entre modes est possible à partir des données de caméra. Des couplages simultanés à différents rayons ont ainsi pu être étudiés et leur intensité a pu être reliée à l'évolution temporelle des spectres grâce au calcul de bicohérence en ondelettes / This work is devoted to the caracterization of turbulent structures and the induced transport in a magnetized plasma column. Complementary to Langmuir probe measurements, used for local investigation of instability induced turbulent transport, an accurate spatial caracterization of structures is achieved using fast imaging of the plasma column's cross-section. The fluctuating light intensity has been linked to density fluctuations of plasma electrons by comparisons with probe measurements and the combined use of interference filters. Processing techniques have been adapted to image data (filtering, extraction of time series, velocimetry). It could be shown that detection of non-linear mode couplings is possible via fast imaging. Simultaneous couplings could be studied at different radii and using wavelet bicoherence, the temporal evolution of power spectra could be linked with the coupling intensities

Il s'agit de l'étude expérimentale d'un microplasma dans l'eau liquide. Ce type de plasma est rencontré dans les domaines de l'isolation électrique par liquides diélectrique ou la dépollution de l'eau. Les plasmas en milieu liquide sont bien moins connus et maitrisés qu'en milieux gazeux. L'objectif de cette thèse est de comprendre les mécanismes physiques sous jacents à l'initiation et à la propagation de la décharge. Un réacteur pointe/plan a été réalisé et soumis à un pulse de haute tension. L'initiation et la propagation des différents modes de décharge plasma à travers le milieu liquide ont été caractérisés par des diagnostiques électrique et d'imagerie rapide nanoseconde. Un diagnostic d'ombroscopie à deux iCCD a également été réalisé afin d'observer le contenu gazeux non lumineux de la décharge et l'émission d'ondes de choc. Nous avons principalement testé l'influence de la polarité de la tension appliquée ainsi que l'influence de la conductivité de l'eau. Des mesures spectroscopiques ont été réalisées sur la bande d'émission de OH et les lignes de l'hydrogène. En polarité positive, une bulle micrométrique est nucléé à la pointe en quelques microsecondes puis une décharge filamentaire se propage à 3km/s durant typiquement 100ns, suivie par une décharge dix fois plus rapide. A basse conductivité, cette propagation continue est suivie par une propagation par bonds. Le claquage de l'intervalle de liquide est obtenu quand les filaments parviennent à la contre-électrode. La décharge en polarité négative est beaucoup plus lente à 600m/s. Curieusement la conductivité de l'eau n'a aucune influence sur la décharge en polarité positive et inhibe la propagation en polarité négative. Cette étude apporte une meilleure compréhension de la phénoménologie détaillée de la décharge plasma dans l'eau.

L'ablation laser dans l'air à la pression atmosphérique est souvent appliquée dans l'industrie, l'analyse chimique, la chirurgie, ... Pour un développement plus approfondi des technologies laser basées sur l'effet d'ablation, il est nécessaire de mieux comprendre les phénomènes à l'origine de l'interaction laser-matière. Lors d'un impact du faisceau laser sur la surface d'un matériau, une plume plasma se forme au dessus de la cible. Ce plasma contient des électrons, des atomes et des ions du matériau évaporé, ainsi que du gaz ambiant, s'il est présent. Lors de l'impulsion laser, cette plume absorbe une grande partie d'énergie du faisceau laser, réduisant ainsi la quantité du rayonnement laser qui arrive à la surface de la cible. Les dimensions, ainsi que les paramètres de cette plume plasma évoluent très rapidement avec le temps. L'étude de la dynamique et des paramètres de cette plume est très importante, parce qu'ils influent sur tous les processus physiques ayant lieu à la surface du matériau traité. Nous avons étudié l'expansion de la plume plasma formée lors de l'ablation des échantillons métalliques (Al, Ti, Fe) par faisceau laser Nd :YAG nanoseconde (durée d'impulsion : 5.1 ns, longueur d'onde : 1064 nm, irradiance de l'ordre de grandeur de GW/cm2) dans l'air à la pression atmosphérique en utilisant la technique d'imagerie rapide. Cette technique nous a permis d'observer l'évolution spatio-temporelle de la plume au début de son expansion. Les résultats obtenus indiquent que la plume d'ablation laser a une structure : deux régions ont été distinguées - le cœur et la périphérie de la plume. La dynamique de ces deux régions de la plume a été étudiée et les vitesses de leur expansion ont été déterminées. En plus, nous avons examiné l'influence de l'irradiance laser, ainsi que l'influence de la composition de la cible sur la dynamique de la plume. D'autre part, nous avons développé des modèles numériques sous COMSOL Multiphysics pour simuler le processus d'ablation laser. Un modèle thermique a été utilisé pour simuler l'interaction laser - cible. Les résultats de ce modèle ont été employés comme conditions à la limite du modèle hydrodynamique, utilisé pour simuler l'expansion de la plume du plasma dans l'air ambiant. Deux approches ont été proposées : approche microscopique et macroscopique. Les résultats de simulation basée sur l'approche macroscopique donnent l'évolution temporelle et distribution spatiale (1D) des paramètres de la plume : masse volumique, vitesse, pression.

L'étude des arcs électriques dans les liquides débute au XXème siècle suite à la création des premiers disjoncteurs à bain d'huile et à l'utilisation de différents procédés de soudure/découpe en pleine eau de coques de navire. Ces études ont été délaissées pendant environ 60 ans jusqu'à ce que de nouvelles applications voient le jour comme la fabrication de nanostructures (pour le génie électrique, la médecine, etc), la fracturation électrique ou encore diverses applications environnementales (dépollution, stérilisation, gazéification, ondes de chocs). Ces diverses applications se font avec des temps et des énergies mises en jeu pour la décharge très variables. Malgré ces différences, il y a toujours l'apparition d'une phase gazeuse globalement sphérique due au passage du courant. Cependant, cette phase est très peu étudiée dans la littérature notamment pour des décharges de l'ordre du kilojoule pour des durées de 10ms environ. L'objectif de la thèse est donc d'améliorer la compréhension de la formation et de la dynamique de la bulle de gaz alimentée par cet arc en jouant sur certains paramètres du système. Les travaux effectués s'articulent suivant deux axes : une étude expérimentale pour analyser le comportement de cette bulle par rapport à l'arc en modifiant notamment l'énergie injectée, la distance inter-électrode utilisée ou encore la nature du fluide employé ; et une étude numérique où un modèle diphasique 2D a été mis en œuvre sous Ansys Fluent pour simuler la création et le développement de cette phase gazeuse au sein d'une phase liquide. La complémentarité de ces deux études permet de témoigner de la présence de certains mécanismes comme ceux de la formation de bulles ou de cycles d'expansion et d'effondrement, gouvernés par des phénomènes de chauffage, d'évaporation ou électrothermiques. L'expérience mise en place se compose d'un réacteur hermétique en aluminium où l'arc électrique est amorcé par un fil fusible entre deux électrodes dans un liquide : eau ou huile. Des hublots permettent la visualisation par caméra rapide de l'espace inter électrode, et donc de l'arc et de la bulle de gaz qu'il engendre. Les caractéristiques courant et tension de l'arc électrique sont suivies dans le temps. Un capteur de pression dans le volume d'air situé au-dessus du liquide contrôle l'onde de pression générée par la décharge. Les résultats expérimentaux sont traités sous Matlab et permettent de conforter le modèle numérique mis en place. Le code utilise les équations de Navier-Stokes pour décrire les deux phases du fluide via la méthode Volume-Of-Fluids (VOF). A ces développements a aussi été intégré un modèle pour prendre en compte le transfert d'une phase de fluide vers une autre. Pour nos conditions de températures élevées, ce modèle a dû être adapté via le coefficient d'intensité de transfert de masse, qui est décrit en fonction de la température et de la proportion de phase dans une cellule. Les résultats de simulation issus de ce modèle permettent d'appuyer les observations expérimentales, et de poser les bases d'une étude sur la formation et le comportement de la phase gazeuse produite par le passage d'un arc électrique dans un liquide. / The study of electrical arcs in liquids begins in XXth century with the first oil circuit breaker and the use of welding/cutting processes on ship hulls in full water. These studies have been neglected for about 60 years, until the emergence of new applications such as the manufacture of nanostructures (for electrical engineering, medicine, etc.), electrical arc fracturing or different environmental applications (depollution, sterilization, gasification). In these applications different times and energies scales are involved for the discharge characteristics. Despite these differences, in all configurations a spherical gaseous medium dues to the current carrying path in the liquid exists. However, this gaseous phase is not much studied in the literature, particularly for an energy discharges of the order of kilojoule applied during 10ms. The goal of the thesis was to improve the understanding and to interpret the formation and the dynamic of the gas bubble created by this arc by varying the conditions. The work follows two ways: an experimental study to analyze the behavior of the bubble depending on the arc characteristics as the energy injected, the distance between the electrodes or the nature of the fluid; And a numerical study, where a 2D diphasic model has been implemented under Ansys Fluent to simulate the creation and the expansion of this gaseous phase in a liquid. The complementarity of these two approaches allows complementarities and interpretations. The experiment set up is composed by a closed aluminum reactor, where the electric arc is established in a liquid (water or oil) by a fusible wire between two electrodes. Windows allows to visualize by a speed camera the inter-electrode space, and so the arc and the gas bubble created. The current and voltage characteristics of the electric arc are recorded over time. A pressure sensor located in the volume of air above the liquid controls the pressure variations. The experimental results are treated through Matlab software and allow corroborating the numerical model developments. The code uses the Navier-Stokes equations to describe the two phases of the fluid via the Volume-Of-Fluids (VOF) method. Specifics developments have also been integrated to take into account the phase transfer at the gas/liquid interface adapting the mass transfer intensity coefficient. This coefficient is described as a function of the temperature and of the proportion of phase in a cell. The simulation results from the model support the experimental observations and build the foundations for a study on the behavior of the gaseous phase produced by the passage of an electric arc in a liquid.

Un moyen d'accroître l'efficacité et de réduire la pollution dans les domaines du transport et de l'énergie consiste à concevoir des injecteurs de carburant produisant une meilleure atomisation. Au cours de cette thèse, des expériences ont été effectuées sur un injecteur airblast souvent utilisé dans les turbines à gaz. Pour réaliser ces expérimentations, un dispositif modèle en configuration annulaire a été créé afin d'étudier le cisaillement d'un film d'eau soumis à un écoulement d'air interne à forte vitesse. La technique d'imagerie rapide par ombroscopie a été utilisée pour analyser le développement du film liquide (fréquence et célérité des ondes) et l'atomisation de la nappe en sortie d'injecteur (modes de rupture). La modification des paramètres d'injection (vitesse des écoulements) a révélé un lien entre la topologie du film liquide et le régime d'atomisation primaire. Finalement, à titre exploratoire, l'influence de la géométrie de l'injecteur (longueur de préfilm) sur le mode d'atomisation primaire a également été mise en évidence / One way to increase efficiency and reduce pollution in the transportation and energy domain is designing fuel injectors with better atomization. In this thesis, experiments were performed on a prefilming airblast atomizer often used in gas turbines. For this purpose, a model device with a cylindrical configuration was created to study the shearing of a film of water subjected to an internal high speed air flow. High speed shadowgraphy technique was used to analyse the development of the liquid film (frequency and wave celerity) and the atomization of the sheet at the injector outlet (breakup mode). The modification of the injection parameters (velocity of flows) revealed a link between the topology of the liquid film and the primary atomization regime. Finally,the influence of the geometry of the injector (prefilming length) about the mode of primary atomization was also highlighted with an exploratory study

La nécessité de trouver une nouvelle source d'énergie a mené les scientifiques à explorer la voie de la fusion thermonucléaire par confinement magnétique. Cependant la réalisation de tels plasmas de fusion dans les tokamaks actuels pose de nombreux défis tels que les interactions entre le plasma et les parois à l'origine de la création de poussières pouvant être néfastes au bon fonctionnement des futurs réacteurs à fusion. Une bonne connaissance de la quantité de poussières produites, de leur localisation et de leur transport durant la phase plasma est donc d'une importance fondamentale pour l'exploitation d'ITER. Un algorithme, développé et validé par l'expérience, est utilisé pour détecter et suivre les poussières dans ASDEX Upgrade (AUG) durant la phase plasma. Il permet d'analyser automatiquement des vidéos enregistrées par caméras rapides. Une large statistique sur la quantité de poussières micrométriques détectées en fonction du temps cumulé de décharge plasma est réalisée. Les premières analyses effectuées sur les cinq dernières campagnes montrent que la quantité de poussières est significativement faible voire nulle dans la plupart des décharges effectuées dans AUG, excepté pour des conditions spécifiques de décharges correspondant à des phases anormales de fonctionnement (disruptions, ELMs, déplacements du plasma vers les CFPs et absorption inefficace de la puissance de chauffage). Ces observations par caméra rapide et l'analyse via l'algorithme peuvent ainsi permettre, avec l'utilisation d'autres diagnostics plasmas, d'identifier les décharges plasmas à risque, pouvant aider à sélectionner les scénarios de fonctionnement les plus efficaces pour ITER / The necessity to find a new energy source has lead scientists to explore the way of thermonuclear fusion by magnetic confinement considered as one of the most promising possibility. However the production of such plasmas in the current tokamaks lies to several challenges like the interactions between the plasma and the first wall which spark off the creation of a lot of dust in the plasma which could be problematic for the operation of the next fusion reactors. The knowledge of dust production rates, localisation and transport through the vacuum vessel during plasma phases is of primary importance and must be investigated in preparation of ITER. A time and resource efficient algorithm named TRACE, validated thanks to a dedicated laboratory experiment, is used to detect and track dust particles in ASDEX Upgrade during plasma phase. It allows for automatically analyzing videos originating from fast framing cameras. A statistic about micron sized dust detection rate as a function of cumulated discharge duration is made on a large number of discharges (1470). First analyses covering five last campaigns clearly confirm that the amount of dust is significantly low in most of discharges realized in ASDEX Upgrade, excepted for specific conditions corresponding to off-normal plasma phases (disruptions, strong plasma fluctuations including ELMs, plasma displacement toward PFCs and inefficient absorption of heating power). These observations allow to identify the risky plasma discharges and choose the most efficient plasmas scenarios for ITER. It seems to also confirm the applicability of an all tungsten first wall for future fusion reactors as ITER