Au cours de la dernière décennie, les nanoparticules métalliques ont trouvé de nombreuses applications dans divers domaines tels que l'optique, la photonique, la catalyse, la fabrication de matériaux, les énergies renouvelables, l'électronique, la médecine et même les cosmétiques. Les nouveaux développements de ces applications nécessitent des méthodes de synthèse de nanoparticules fiables donnant une grande quantité de nanoparticules aux propriétés spécifiques. Les méthodes à base de plasma, tels que des décharges d'étincelles et d’arcs sont parmi les plus prometteuses car elles permettent une augmentation considérable de la vitesse de production et une diminution des coûts. Le contrôle de ces processus est cependant toujours difficile et nécessite de nombreuses études détaillées, à la fois expérimentales et théoriques. Dans cette thèse, les décharges d'étincelles sont étudiées numériquement. L'objectif principal est de mieux comprendre les principaux mécanismes impliqués dans la décharge d'étincelle avec un faible écartement d’électrodes et sous pression atmosphérique. Ensuite, sur la base de la modélisation détaillée proposée, la quantité de nanoparticules produites ainsi que leur distribution en taille est prédite et est comparée avec les résultats expérimentaux correspondants. Dans le modèle proposé, seules les conditions initiales, la géométrie du système et les propriétés du matériau sont utilisés comme paramètres d'entrée. Une décharge d’étincelle unique est divisée en plusieurs unités selon les échelles spatiales et temporelles des processus physiques comme suit: modèles de (i) flux plasma, (ii) décharge, (iii) hydrodynamique, (iv) couche cathodique, (v) érosion d’électrode et (vi) formation de nanoparticules. Les résultats du modèle combiné sont ensuite comparés à la fois avec d'autres résultats théoriques et à des résultats expérimentaux. Enfin, les possibilités d'optimisation de la production de nanoparticules par décharge d'étincelles sont proposées sur la base de la variation des paramètres expérimentaux et sur l'analyse de la quantité de particules produites et de leur taille moyenne / During last decade, metal nanoparticles have found many applications in various areas, such as optics, photonics, catalysis, material manufacturing, renewable energy, electronics, medicine and even cosmetics. Further development of these applications requires reliable nanoparticle synthesis methods providing a large amount of nanoparticle with required properties. Plasma-based methods, such as spark and arc discharges are among the most promising since they allow a considerable increase in the production rate and a decrease in costs. The control over these processes is, however, still challenging and requires many detailed studies, both experimental and theoretical. In this thesis, spark discharge is investigated numerically. The main objective is to better understand main mechanisms involved in spark discharge with a short gap under atmospheric pressure. Then, based on the proposed detailed modeling, the amount of the produced nanoparticles, their size distribution should be predicted and compared with the corresponding experimental results. In the proposed model, only initial conditions, geometry of the system and material properties are used as input parameters. A single spark event is divided into several units according to localization and time scales of physical processes as follows: (i) streamer model, (ii) discharging model, (iii) hydrodynamic model, (iv) cathode layer model, (v) electrode erosion model and (vi) nanoparticle formation model. The results of the combined model are then compared both with other theoretical and experimental results. Finally, possibilities of optimization the nanoparticle production by spark discharge are proposed based on the variation of the experimental parameters and on the analysis of the resulted particle yield and mean size

La combustion assistée par plasma a reçu une attention croissante dans les deux communautés de plasma et de combustion. Les décharges Nanoseconde Répétitive Pulsée (NRP) sont des techniques prometteuse et efficaces pour initier et contrôler les processus de la combustion en particulier quand les systèmes d’allumage conventionnels sont inefficaces ou trop coûteux en énergie. Néanmoins, les phénomènes rencontrés dans la combustion assistée par plasma sont encore mal connus. Les études numériques présentées dans la littérature sont limitées à des simulations 1-D et 2-D dans des conditions au repos. La complexité du problème augmente dans les configurations pratiques où le phénomène d’allumage est contrôlé par le mouvement du fluide ainsi que le mélange autour de la zone de décharge. La simulation numérique directe (DNS) est un outil de recherche puissant pour la compréhension des interactions plasma/combustion/écoulement. Toutefois, le coût de calcul de la combustion turbulente avec un nombre de Reynolds élevé et la cinétique chimique détaillée couplée avec le plasma hors-équilibre est prohibitif. Cette thèse présente un nouveau modèle de couplageplasma-combustion pour introduire les effets des décharges de plasma hors-équilibre dans le système d’équations qui décrit le phénomène de la combustion. Le modèle est construit en analysant les chemins par lesquels l’énergie électrique est transférée au gaz. Ce modèle de décharges NRP permet des simulations multidimensionalesDNS de la combustion et l’allumage assistés par plasma. Les phénomènes physiques complexes de l’allumage assisté par décharges multiples de plasma dans des mélanges au repos et en régime d’écoulement turbulent sont analysés dans cette thèse. / Plasma-assisted combustion has received increasing attention in both plasma and combustion communities. Nanosecond Repetitively Pulsed (NRP) discharges are a promising and efficient technique to initiate and control combustion processes particularly when conventional ignition systems are rather ineffective or too energy costly. Even though a promising technique, the phenomena occurring in NRP discharges-assisted combustion are still poorly understood. The numerical studies presented in the literature are limited to 1-D and 2-D simulations in quiescent conditions. The problem complexity increases in practical configurations as ignition phenomena are also controlled by the flow and mixing field characteristics in and around the discharge channel. Direct Numerical Simulations (DNS) is a powerful research tool to understand these plasma/combustion/flow interactions. However, the computational cost of fully coupled detailed non-equilibrium plasma and combustion chemistry, and high Reynolds number simulations is prohibitive. This thesis presents a model to describe the effects of non-equilibrium plasma discharges in the set of equations governing the combustion phenomena. Based on the results reported in the literature, the model is constructed by analyzing the channels through which the electric energy is deposited. The two main channels by which the electrons produced during the discharge impact the reactive mixture are considered: 1) the excitation and the subsequent relaxation of the electronic states of nitrogen molecules, which leads to an ultrafast increase of the gas temperature and dissociation of species; and 2) the excitation and relaxation of vibrational states of nitrogen molecules which causes a much slower gas heating. This high level model of NRP discharges allows DNS studies of plasma-assisted combustion / ignition in high turbulent Reynolds number. The complex physics underlying plasma-assisted ignition by multiple discharges in both quiescent and turbulent flow conditions are discussed in the present thesis.

L'intégration des nouveaux éléments basés sur la physique des plasmas dans le domaine des circuits et des systèmes micro-ondes est l'objectif de ce travail. En profitant des caractéristiques électromagnétiques des plasmas et en jouant sur leur architecture, on développe des micro-commutateurs micro-ondes et d'autres circuits radio et hyperfréquences en technologies microrubans ou en guide d'onde… La simulation de la propagation des ondes électromagnétiques dans un plasma et les études de l'interaction entre un plasma et les ondes électromagnétiques nécessite la connaissance des paramètres fondamentaux du plasma comme la permittivité. C'est pour cela qu'on étudie aussi les mesures plasmas par différents techniques comme la transmission/réflexion des ondes électromagnétiques, la perturbation des cavités résonnantes, ... Un schéma électrique équivalent modélisant un micro-commutateur hyperfréquence en plasma, est obtenu grâce aux mesures des courants de décharge électrique, à la rétro-simulation et aux techniques de modélisation numérique. Un coupleur directif hybride compact est utilisé pour les mesures plasmas en assurant la protection du matériel et de l'équipement de mesure des signaux d'un plasma. / Integration of new plasma-based elements for RF and microwave circuits and systems is the goal of this work. Taking advantage of electromagnetic characteristics of plasmas and playing on their architecture, we develop microwave micro-switches and other RF and microwave circuits by different technologies such as microstrip, waveguide circuits. The simulation of the propagation of electromagnetic waves in plasma and studying the interaction between plasma and electromagnetic waves require a pre-knowledge of its basic intrinsic parameters such as permittivity for that we also study measures and plasma different techniques like transmission/reflection of an electromagnetic waves, cavity perturbation technique... An equivalent electrical circuit modeling the plasma will be used for modeling microwave micro-switches. It is obtained by measurements of electric discharge currents, the reverse CAD simulation and numerical modeling techniques. A compact hybrid directional coupler is used to measure plasma and to protect test equipment from dangerous signals of the electrical discharge.

Cette thèse propose différentes méthodes théoriques et numériques pour simuler à coût réduit le comportement des plasmas ou des faisceaux de particules chargées sous l'action d'un champ magnétique fort. Outre le champ magnétique externe, chaque particule est soumise à un champ électromagnétique créé par les particules elles-mêmes. Dans les modèles cinétiques, les particules sont représentées par une fonction de distribution f(x,v,t) qui vérifie l'équation de Vlasov. Afin de déterminer le champ électromagnétique, cette équation est couplée aux équations de Maxwell ou de Poisson. L'aspect champ magnétique fort est alors pris en compte par un adimensionnement adéquat qui fait apparaître un paramètre de perturbation singulière 1/ε. Le premier chapitre de cette thèse est une introduction à la fusion contrôlée par confinement magnétique dans les Tokamaks. Le second chapitre est consacré à la théorie gyrocinétique géométrique. Cette théorie repose sur la géométrie différentielle et la dynamique des systèmes hamiltoniens. L'objectif est de faire une succession de changements de coordonnées afin de se ramener à un système proche du centre-guide historique dans lequel les expressions de la matrice de Poisson et du Hamiltonien permettent une réduction de la dimension des trajectoires. Le chapitre 3 met en pratique les mêmes techniques sur un autre problème, la modélisation paraxiale d'un faisceau de particules chargées. Le dernier chapitre est dédié à un schéma numérique basé sur un intégrateur exponentiel en vitesse. Ce schéma a pour objectif d'approcher numériquement des solutions fortement oscillantes avec une méthode Particle-In-Cell en utilisant un pas de temps beaucoup plus grand que la période d'oscillation rapide. Il est testé sur une équation de Vlasov linéaire ainsi que sur le système de Vlasov-Poisson.

Cette thèse propose différentes méthodes théoriques et numériques pour simuler à coût réduit le comportement des plasmas ou des faisceaux de particules chargées sous l’action d’un champ magnétique fort. Outre le champ magnétique externe, chaque particule est soumise à champ électromagnétique créé par les particules elles-mêmes. Dans les modèles cinétiques, les particules sont représentées par une fonction de distribution f(x,v,t) qui vérifie l’équation de Vlasov. Afin de déterminer le champ électromagnétique, cette équation est couplée aux équations de Maxwell ou de Poisson. L’aspect champ magnétique fort est alors pris en compte par un dimensionnement adéquat qui fait apparaître un paramètre de perturbation singulière 1/ε. / This thesis is devoted to the study of charged particle beams under the action of strong magnetic fields. In addition to the external magnetic field, each particle is submitted to an electromagnetic field created by the particles themselves. In kinetic models, the particles are represented by a distribution function f(x,v,t) solution of the Vlasov equation. To determine the electromagnetic field, this equation is coupled with the Maxwell equations or with the Poisson equation. The strong magnetic field assumption is translated by a scaling wich introduces a singular perturbation parameter 1/ε.