L’objectif de ce mémoire de maîtrise est de caractériser la distribution axiale des plasmas tubulaires à la pression atmosphérique créés et entretenus par une onde électromagnétique de surface ainsi que d’explorer le potentiel de ces sources pour la synthèse de matériaux et de nanomatériaux. Un précédent travail de thèse, qui avait pour objectif de déterminer les mécanismes à l’origine de la contraction radiale du plasma créé dans des gaz rares, a mis en lumière un phénomène jusque-là inconnu dans les plasmas d’onde de surface (POS). En effet, la distribution axiale varie différemment selon la puissance incidente ce qui constitue une différence majeure par rapport aux plasmas à pression réduite. Dans ce contexte, nous avons réalisé une étude paramétrique des POS à la pression atmosphérique dans l’Ar. À partir de nos mesures de densité électronique, de température d’excitation et de densité d’atomes d’Ar dans un niveau métastable (Ar 3P2), résolues axialement, nous avons conclu que le comportement axial de l’intensité lumineuse avec la puissance n’est pas lié à un changement de la cinétique de la décharge (qui est dépendante de la température des électrons et de la densité d’atomes d’Ar métastables), mais plutôt à une distribution anormale de dissipation de puissance dans le plasma (reliée à la densité d’électrons). Plus précisément, nos résultats suggèrent que ce dépôt anormal de puissance provient d’une réflexion de l’onde dans le fort gradient de densité de charges en fin de colonne, un effet plus marqué pour de faibles longueurs de colonnes à plasma. Ensuite, nous avons effectué une étude spectroscopique du plasma en présence de précurseurs organiques, en particulier le HMDSO pour la synthèse de matériaux organosiliciés et l’IPT pour la synthèse de matériaux organotitaniques. Les POS à la PA sont caractérisés par des densités de charges très élevées (>10^13 cm^-3), permettant ainsi d’atteindre des degrés de dissociation des précurseurs nettement plus élevés que ceux d'autres plasmas froids à la pression atmosphérique comme les décharges à barrière diélectrique. Dans de tels cas, les matériaux synthétisés prennent la forme de nanopoudres organiques de taille inférieure à 100 nm. En présence de faibles quantités d’oxygène dans le plasma, nous obtenons plutôt des nanopoudres à base d’oxyde de silicium (HMDSO) ou à base de titanate de silicium (IPT), avec très peu de carbone. / The purpose of this master thesis is to characterize the axial distribution of tubular discharges at atmospheric pressure sustained by electromagnetic surface wave and to explore their potential for materials and nanomaterials synthesis. A previous doctoral thesis, aimed at determining the mechanisms driving radial plasma contraction in rare gas discharges shed light on a yet unknown phenomenon occurring in surface wave discharges (SWD). As a matter of fact, increasing the power injected into the system leads to a change of the axial distribution of the discharge, in sharp contrast with the behavior commonly observed in reduced-pressure plasmas. In this context, we have performed a parametric investigation of atmospheric pressure SWD sustained in Ar gas. Based on our axially-resolved measurements of the electron density, excitation temperature, and number density of Ar atoms in metastable state (Ar 3P2), we found that the peculiar change of the axial distribution of the light intensity with power is not linked to a modification in the discharge kinetics (linked to the electron temperature and metastable number density) but rather to an anomalous power deposition (linked to the electron density). More specifically, such anomalous power deposition can be attributed to a wave reflection in the high gradient of charged particle densities near the end of the plasma column; a behavior that is more apparent in short plasma columns. Then, we have realized a parametric investigation of the discharge with the addition of organic precursors. Particularly, we used HMDSO for organo-silicon material synthesis and TTIP for organo-titanium material synthesis. It is found that because SWD are characterized by high charged particle densities (>10^13 cm^-3), higher precursor dissociation rates can be achieved with respect to other cold, atmospheric-pressure plasmas such as low-density dielectric barrier discharges. In this case, powder-like nanomaterials with sizes below 100 nm are obtained. Moreover, the addition of small amounts of oxygen into the discharge leads to the formation of round-like silicon oxide or titanium oxide nanoparticles.

L’objectif de ce mémoire de maîtrise est de caractériser la distribution axiale des plasmas tubulaires à la pression atmosphérique créés et entretenus par une onde électromagnétique de surface ainsi que d’explorer le potentiel de ces sources pour la synthèse de matériaux et de nanomatériaux. Un précédent travail de thèse, qui avait pour objectif de déterminer les mécanismes à l’origine de la contraction radiale du plasma créé dans des gaz rares, a mis en lumière un phénomène jusque-là inconnu dans les plasmas d’onde de surface (POS). En effet, la distribution axiale varie différemment selon la puissance incidente ce qui constitue une différence majeure par rapport aux plasmas à pression réduite. Dans ce contexte, nous avons réalisé une étude paramétrique des POS à la pression atmosphérique dans l’Ar. À partir de nos mesures de densité électronique, de température d’excitation et de densité d’atomes d’Ar dans un niveau métastable (Ar 3P2), résolues axialement, nous avons conclu que le comportement axial de l’intensité lumineuse avec la puissance n’est pas lié à un changement de la cinétique de la décharge (qui est dépendante de la température des électrons et de la densité d’atomes d’Ar métastables), mais plutôt à une distribution anormale de dissipation de puissance dans le plasma (reliée à la densité d’électrons). Plus précisément, nos résultats suggèrent que ce dépôt anormal de puissance provient d’une réflexion de l’onde dans le fort gradient de densité de charges en fin de colonne, un effet plus marqué pour de faibles longueurs de colonnes à plasma. Ensuite, nous avons effectué une étude spectroscopique du plasma en présence de précurseurs organiques, en particulier le HMDSO pour la synthèse de matériaux organosiliciés et l’IPT pour la synthèse de matériaux organotitaniques. Les POS à la PA sont caractérisés par des densités de charges très élevées (>10^13 cm^-3), permettant ainsi d’atteindre des degrés de dissociation des précurseurs nettement plus élevés que ceux d'autres plasmas froids à la pression atmosphérique comme les décharges à barrière diélectrique. Dans de tels cas, les matériaux synthétisés prennent la forme de nanopoudres organiques de taille inférieure à 100 nm. En présence de faibles quantités d’oxygène dans le plasma, nous obtenons plutôt des nanopoudres à base d’oxyde de silicium (HMDSO) ou à base de titanate de silicium (IPT), avec très peu de carbone. / The purpose of this master thesis is to characterize the axial distribution of tubular discharges at atmospheric pressure sustained by electromagnetic surface wave and to explore their potential for materials and nanomaterials synthesis. A previous doctoral thesis, aimed at determining the mechanisms driving radial plasma contraction in rare gas discharges shed light on a yet unknown phenomenon occurring in surface wave discharges (SWD). As a matter of fact, increasing the power injected into the system leads to a change of the axial distribution of the discharge, in sharp contrast with the behavior commonly observed in reduced-pressure plasmas. In this context, we have performed a parametric investigation of atmospheric pressure SWD sustained in Ar gas. Based on our axially-resolved measurements of the electron density, excitation temperature, and number density of Ar atoms in metastable state (Ar 3P2), we found that the peculiar change of the axial distribution of the light intensity with power is not linked to a modification in the discharge kinetics (linked to the electron temperature and metastable number density) but rather to an anomalous power deposition (linked to the electron density). More specifically, such anomalous power deposition can be attributed to a wave reflection in the high gradient of charged particle densities near the end of the plasma column; a behavior that is more apparent in short plasma columns. Then, we have realized a parametric investigation of the discharge with the addition of organic precursors. Particularly, we used HMDSO for organo-silicon material synthesis and TTIP for organo-titanium material synthesis. It is found that because SWD are characterized by high charged particle densities (>10^13 cm^-3), higher precursor dissociation rates can be achieved with respect to other cold, atmospheric-pressure plasmas such as low-density dielectric barrier discharges. In this case, powder-like nanomaterials with sizes below 100 nm are obtained. Moreover, the addition of small amounts of oxygen into the discharge leads to the formation of round-like silicon oxide or titanium oxide nanoparticles.

Thesis focuses on the basic characteristics of plasma, problems about origin of electrode spots and electrodynamics force acts on the electric arc. In the practical part was realized and produced model of a LV quenching system. Using optical diagnostics was received necessary data to analyze the movement of the electrode spots. The movements of the electrode spots were analyzed in terms of value RMS current passing through the electric arc, value of absolute pressure model in the LV quenching system and distance from each electrode.

Les motoristes aéronautiques misent sur le développement de systèmes d’injection de carburant innovants pour réduire la consommation de carburant et les émissions de polluants. L’objectif de la thèse est de contribuer à l’étude expérimentale d’un injecteur « Lean Premixed » par le développement de diagnostics lasers couplant des approches basées sur la diffusion de Mie et l’émission fluorescente de traceurs. Les mesures ont été réalisées sur le banc de combustion haute pression HERON. Une approche novatrice avec l’imagerie de fluorescence du kérosène a permis d’obtenir une quantification du mélange kérosène/air. La structure de flamme a été mesurée simultanément par PLIF-OH et des mesures PIV de vitesse ont complété cette analyse. Un développement préliminaire de la PLIF-CO a également été mené. Les nombreuses mesures permettent de fournir une analyse détaillée des interactions flamme/spray/aérodynamique lors d’une combustion swirlée stabilisée kérosène/air à haute pression. / Aeronautical engine manufacturers are banking on the development of innovative fuel injection systems to reduce fuel consumption and pollutant emissions. The aim of the thesis is to contribute to the experimental investigation of a "Lean Premixed" injector by developing laser diagnostics coupling approaches based on Mie scattering and fluorescent emission of tracers. Measurements are performed at high pressure on the HERON combustion test bench. An innovative approach with fluorescence imaging of kerosene has resulted in the quantification of the kerosene/air mixture. The flame structure was analyzed simultaneously by OH-PLIF and velocity PIV measurements were performed to complete this analysis. A preliminary development of CO-PLIF was also conducted. The numerous measurements provided a detailed analysis of the mechanisms of flame/spray/aerodynamic interactions during a swirl-stabilized kerosene/air combustion at high pressure.

[ES] A medida que aumenta la conciencia climática y se buscan reducir las emisiones globales, se están realizando esfuerzos para producir tecnologías que permitan desarrollar motores más limpios y amigables con el medio ambiente. Los sistemas GDI (inyección directa de gasolina) tienen el potencial de cumplir con los cada vez más estrictos estándares de emisiones y, al mismo tiempo, mejorar el consumo de combustible. El espacio limitado dentro de la cámara de combustión hace que el impacto del chorro con la pared sea un fenómeno común en los motores de inyección directa de gasolina. Este fenómeno tiene un efecto significativo en el desarrollo del chorro y su interacción con el aire en la cámara. En condiciones de arranque en frío, las bajas presiones y temperaturas en la cámara facilitan la deposición del combustible en la superficie del pistón, lo que conduce a un aumento considerable en la formación de hollín y en los hidrocarburos sin quemar. Esta tesis busca proporcionar información sobre las características más relevantes de la interacción chorro-pared en sistemas de inyección directa de gasolina en condiciones de arranque en frío y otras condiciones evaporativas. Para ello, se utilizó una pared plana ubicada a diferentes distancias de impacto y ángulos con respecto a la punta del inyector. Se empleó un inyector solenoide fabricado por Continental y el inyector "Spray G", utilizando iso-octano como combustible inyectado. El estudio se llevó a cabo en diversas instalaciones experimentales cubriendo varias técnicas ópticas. El estudio de la interacción chorro-pared se llevó a cabo utilizando tres campañas experimentales. En la primera, se utilizó una pared de cuarzo transparente para analizar las características macroscópicas del chorro al impactar la pared, observándola lateral y frontalmente con el uso de tres cámaras de alta velocidad gracias a los accesos ópticos de la instalación experimental. En la segunda, se empleó una pared termorregulada de acero inoxidable para medir el efecto que tienen las condiciones de operación y ambientales sobre la transferencia de calor entre la pared y el chorro durante el evento de inyección de combustible. Se observó que la penetración del chorro libre y el desarrollo del chorro sobre la pared son influenciados por la presión de inyección y el ángulo de inclinación de la pared. El ancho del chorro medido después del impacto fue afectado principalmente por la distancia entre el inyector y la pared y por el ángulo de la pared pero más aún por la distancia respecto al punto de impacto sobre la cual fue medida. La semi área de impacto es susceptible a cambios en el ángulo de la pared y la distancia inyector-pared teniendo un papel fundamental en el arrastre de aire entre el chorro y el ambiente. No se encontraron diferencias significativas entre las fases líquida y vapor tanto para la penetración de chorro libre como para el desarrollo del chorro sobre la pared a temperatura ambiente. Por el contrario, con la pared calentada, se obtuvieron diferencias entre la fase líquida y vapor, destacando la contribución de la evaporación de combustible causada por el incremento en la temperatura de la pared. Respecto a la pared instrumentada, tanto la temperatura del combustible como de la pared produjeron los picos más significativos en términos del flujo de calor superficial. Órdenes de magnitud similares respecto al flujo de calor superficial fueron encontrados entre las campañas experimentales de la pared instrumentada y la termografía infrarroja. La aparición del flash boiling en condiciones de menor contrapresión ambiental y mayor temperatura del combustible modificó la morfología del chorro en términos de anchura , lo que tuvo repercusiones significativas en el parámetro R (que depende de la penetración del chorro) y en el número de gotas de líquido presentes en el chorro, afectando tanto a los perfiles de extinción de la luz como a los perfiles del flujo de calor superficial. / [CA] A mesura que augmenta la consciència climàtica i es busquen reduir les emissions globals, s'estan fent esforços per a produir tecnologies que permeten desenvolupar motors més nets i amigables amb el medi ambient. Els sistemes GDI (injecció directa de gasolina) tenen el potencial de complir amb els estrictes estàndards d'emissions i, al mateix temps, millorar el consum de combustible. L'espai limitat dins de la cambra de combustió fa que l'impacte del doll amb la paret siga un fenomen comú en els motors d'injecció directa de gasolina. Aquest fenomen té un efecte significatiu en el desenvolupament del doll i la seua interacció amb l'aire en la cambra. La interacció doll-paret és un fenomen interessant i difícil de comprendre que ocorre durant el procés de combustió. En condicions d'arrancada en fred, les baixes pressions i temperatures en la cambra faciliten la deposició del combustible en la superfície del pistó, la qual cosa condueix a un augment considerable en la formació de sutge i en els hidrocarburs sense cremar. Aquesta tesi busca proporcionar informació sobre les característiques més rellevants de la interacció doll-paret en sistemes d'injecció directa de gasolina en condicions d'arrancada en fred i altres condicions evaporatives. Per a això, es va utilitzar una paret plana situada a diferents distàncies d'impacte i angles respecte a la punta de l'injector. Es va emprar un injector solenoide fabricat per Continental i l'injector "Spray G", utilitzant iso-octà com a combustible injectat. L'estudi es va dur a terme en diverses instal·lacions experimentals cobrint diverses tècniques òptiques. L'estudi de la interacció doll-paret es va dur a terme utilitzant tres campanyes experimentals. En la primera, es va utilitzar una paret de quars transparent per a analitzar les característiques macroscòpiques del doll en impactar la paret, observant-la lateral i frontalment amb l'ús de tres càmeres d'alta velocitat gràcies als accessos òptics de la instal·lació experimental. En la segona, es va emprar una paret termorregulada d'acer inoxidable per a mesurar l'efecte que tenen les condicions d'operació i ambientals sobre la transferència de calor entre la paret i el doll durant l'esdeveniment d'injecció de combustible. Es va observar que la penetració del doll lliure i el desenvolupament del doll sobre la paret són influenciats per la pressió d'injecció i l'angle d'inclinació de la paret. L'ample del doll mesurat després de l'impacte va ser afectat principalment per la distància entre l'injector i la paret i per l'angle de la paret però més encara per la distància respecte al punt d'impacte sobre la qual va ser mesurada. La semi àrea d'impacte és susceptible a canvis en l'angle de la paret i la distancia injector-paret tenint un paper fonamental en l'arrossegament d'aire entre el doll i l'ambient. No es van trobar diferències significatives entre les fases líquida i vapor tant per a la penetració de doll lliure com per al desenvolupament del doll sobre la paret a temperatura ambient. Per contra, amb la paret calfada, es van obtindre diferències entre la fase líquida i vapor, destacant la contribució de l'evaporació de combustible causada per l'increment en la temperatura de la paret. Respecte a la paret instrumentada, tant la temperatura del combustible com de la paret van produir els pics més significatius en termes del flux de calor superficial. Ordres de magnitud similars respecte al flux de calor superficial van ser trobats entre les campanyes experimentals de la paret instrumentada i la termografia infraroja. L'aparició del flaix boiling en condicions de menor contrapressió ambiental i major temperatura del combustible va modificar la morfologia del doll en termes d'amplària, la qual cosa va tindre repercussions significatives en el paràmetre R i en el nombre de gotes de líquid presents en el doll, afectant tant els perfils d'extinció de la llum com als perfils del flux de calor superfial. / [EN] Fuel injection is one of the most important factor that must be considered to achieve cleaner and more efficient internal combustion engines. Its role is more evident when direct injection strategies are used. As awareness of climate change and global emission reduction policies increase, efforts are being made to develop new technologies that enable cleaner and more environmentally friendly engines. The gasoline direct injection systems can fulfill strict emission standards and improve fuel consumption. Because of the space constraints inside the combustion chamber for spray penetration, collision and interaction with the wall are common events in direct injection engines, considerably influencing spray formation and air-spray interaction inside the chamber. In cold-start engine conditions, the lower injection pressures and temperatures in the combustion chamber enhance the fuel deposition over the piston surface, incrementing the soot and the unburned hydrocarbon formation. The present work highlights the fundamental aspects of the spray-wall interaction for the gasoline direct injection (GDI) system under cold-start and other evaporative conditions. For that, a flat wall is located several distances and at different wall angles to the injector tip. Also, this thesis involves using a solenoid injector produced by Continental and the well-known "Spray G" injector using iso-octane as injected fuel covering several techniques and experimental facilities. To analyze the spray-wall interaction, three experimental approaches were used: The first used three high-speed cameras and a quartz wall inside the test rig vessel to study the macroscopic characteristics of the spray, which was observed lateral and frontal by using the optical accesses of the vessel. The second approach used a stainless steel wall to catch the effect of the operating and ambient conditions over the heat flux between the wall and the spray during the fuel injection event and determine how the spray development is affected by the cold-start realistic engine conditions and other evaporative conditions that were included in the test matrix. This wall was coupled with sensors to control the initial surface temperature and to compute the temperature variation in time and the surface heat flux using high-speed thermocouples. The spray under free-jet conditions was also analyzed as a comparison point with the spray-wall interaction conditions. The free spray penetration and the spray spreading over the wall were influenced mainly by the injection pressure and the wall angle. The spray thickness measured after the SWI was affected primarily by the wall-to-tip distance and the wall angle but even more by the distance from the impact point in which it is measured. The semi-circle impact area was susceptible to wall angles and wall-to-tip distance variations, essential in the spray-air entrainment. No remarkable differences were found between the liquid and vapor phases for the free jet or the isothermal wall configuration. In contrast, some differences were obtained for the instrumented and thermoregulated wall, remarking the contribution of fuel evaporation caused by the wall temperature increase. Regarding the thermoregulated wall, the fuel and wall temperatures produced the most important peaks in terms of surface heat flux. A similar order of magnitude regarding the surface heat flux was found between the thermoregulated wall and infrared thermography experimental campaigns. The flash boiling appearance for the lower ambient back pressure and higher fuel temperature condition changed the spray morphology in terms of the width (spray angle), having significant repercussions over the R-parameter (which depends on the spray penetration) and in the number of liquid droplets present in the spray affecting both the light extinction profiles and the surface heat flux profiles. / Esta tesis se ha desarrollado en el marco de una ayuda para la Formación de Personal Investigador (FPI) Subprograma 1 (PAID-01-19) financiada por la Universitat Politècnica de València. / Carvallo García, CL. (2023). Experimental study of the behavior of gasoline direct injection GDI sprays during wall impingement under realistic engine conditions [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/195027