Le procédé de purification par plasma, étudié dans ce travail, peut efficacementenlever le bore du silicium. En combinaison avec d'autres procédés on peut ainsipurifier du silicium pour des cellules solaires à bas coûts. Cependant, la chimie à lasurface du silicium est encore mal comprise. Pour une meilleure compréhension duprocédé nous effectuons des mesures paramétriques de vitesse de purification, nouscalculons l'équilibre chimique et nous mesurons la température et la concentrationdes radicaux dans le plasma, utilisant la spectroscopie d'émission.La comparaison entre des vitesses de purification de la littérature et desconcentrations à l'équilibre chimique calculé montre que les réactions chimiques à lasurface du silicium sont probablement en équilibre. Cependant, le rapport entre lebore et le silicium dans les gaz en sortie du réacteur est plus élevé que prédit par lescalculs de l'équilibre chimique. Ceci est probablement dû à la formation d'un aérosolde silice dans la couche limite réactive. Les résultats des mesures paramétriques dela vitesse de purification sont en accord avec cette théorie.Plusieurs expériences de validation montrent que la spectroscopie d'émission peutêtre utilisé pour mesurer la température et les rapports de concentration O/Ar et H/Ardans le plasma. Les résultats des mesures spectroscopiques ont aidé à améliorer defaçon significative un modèle numérique. Les résultats ont montré que l'hydrogènediffuse fortement dans le plasma tandis que l'oxygène diffuse beaucoup mo

L'étude présentée ici entre dans la problématique générale des arcs électriques intervenant dans des applications industrielles telles que le soudage, le découpage, le traitement des déchets. Ce travail constitue une première phase de modélisation de cette étude générale. Le plasma est décrit par un ensemble d'équations de conservation de fluide et de l'électromagnétisme, complétés par des propriétés thermodynamiques et des coefficients de transport appropriés, en formant un système d'équations non linéaires fortement couplées. Ces équations sont écrites en supposant l'équilibre thermodynamique local, une symétrie cylindrique et un écoulement laminaire stationnaire. Ce système d'équations est résolu à l'aide du logiciel commercial FLUENT de type CFD fondé sur l'approche des volumes finis. Pour pouvoir utiliser la partie solveur nous avons résolu notre modèle en utilisant les routines UDF Users-Defined-Function. Dans une première partie, nous présentons la validation du modèle à deux dimensions et à 100 A dans l'argon par des résultats de la littérature. Cette comparaison laisse apparaître un accord satisfaisant sur les profils de température dans la colonne de plasma et des différences dans les zones proches des électrodes dues aux conditions aux limites. Dans une deuxième partie, nous présentons une étude expérimentale, à l'issue de laquelle on constate que les profils de température expérimentaux sont en accord avec ceux du modèle dans la zone de colonne positive.

Le procédé de purification par plasma, étudié dans ce travail, peut efficacementenlever le bore du silicium. En combinaison avec d’autres procédés on peut ainsipurifier du silicium pour des cellules solaires à bas coûts. Cependant, la chimie à lasurface du silicium est encore mal comprise. Pour une meilleure compréhension duprocédé nous effectuons des mesures paramétriques de vitesse de purification, nouscalculons l’équilibre chimique et nous mesurons la température et la concentrationdes radicaux dans le plasma, utilisant la spectroscopie d’émission.La comparaison entre des vitesses de purification de la littérature et desconcentrations à l’équilibre chimique calculé montre que les réactions chimiques à lasurface du silicium sont probablement en équilibre. Cependant, le rapport entre lebore et le silicium dans les gaz en sortie du réacteur est plus élevé que prédit par lescalculs de l’équilibre chimique. Ceci est probablement dû à la formation d’un aérosolde silice dans la couche limite réactive. Les résultats des mesures paramétriques dela vitesse de purification sont en accord avec cette théorie.Plusieurs expériences de validation montrent que la spectroscopie d’émission peutêtre utilisé pour mesurer la température et les rapports de concentration O/Ar et H/Ardans le plasma. Les résultats des mesures spectroscopiques ont aidé à améliorer defaçon significative un modèle numérique. Les résultats ont montré que l’hydrogènediffuse fortement dans le plasma tandis que l’oxygène diffuse beaucoup mo / The plasma refining process studied in this work can efficiently remove boron fromsilicon. In combination with other processes one can purify silicon for solar cells atlow costs. The hot gases from the thermal plasma torch are blown onto the surface ofa silicon melt. However the chemistry at the silicon surface is so far poorlyunderstood. For a better understanding of the process we do parametricmeasurements of the boron removal rate, we calculate the chemical equilibriumconcentrations and we measure the temperature and radical concentrations in theplasma, using emission spectroscopy.The comparison of boron removal rates from literature to calculated chemicalequilibrium concentrations shows that the chemical reactions at the silicon surfaceare probably at chemical equilibrium. However, the boron to silicon ratio in theexhaust gases is higher than predicted by the chemical equilibrium calculations. Thisis probably due to the formation of a silica aerosol in the reactive boundary layer. Theresults of the parametric measurements of the boron removal rate agree also withthis theory.Several validation experiments showed that emission spectroscopy with Abelinversion can be used to measure the temperature and the concentration ratios O/Arand H/Ar in the plasma. The spectroscopic results helped to improve significantly anumerical mode. The results also showed that hydrogen diffuses strongly in theplasma while oxygen diffuses much less.

Résumé : Les nanotubes de carbone mono-parois (SWCNTs) sont très peu dispersibles dans les solvants et ils ont besoin d'être chimiquement modifiés avant leur utilisation dans beaucoup d'applications. Ce travail se concentre sur la synthèse du matériau des SWCNTs chimiquement modifié par une approche in situ. Les objectifs principaux de cette recherche sont : I) explorer le procédé chimique in situ pendant la synthèse des SWCNTs et 2) examiner de manière approfondie l'effet de l'environnement réactif sur les SWCNTs. Les effets du type de catalyseur et son contenu sur le produit fini des SWCNTs, synthétisé par plasma thermique inductif (PTI), ont été étudiés pour remplacer le cobalt (Co) toxique dans la matière première. À cet égard, trois mélanges de catalyseurs différents (c.-à-d. Ni-Y203, Ni-Co-Y203, et Ni-Mo-Y203) ont été utilisés. Les résultats expérimentaux ont montré que le type de catalyseur affecte la qualité des SWCNTs. Une qualité similaire peut être produite lorsque la même quantité de Co est remplacée par le Ni. En outre, des résultats observés dans les travaux expérimentaux ont été explicités par les résultats des calculs thermodynamiques. La therrnogravimétrie (TG) a été utilisée tout au long du travail pour caractériser les échantillons de SWCNTs. La TG a tout d'abord été normalisée par l'étude des effets des trois principaux paramètres instrumentaux (rampe de température, RT, la masse initiale de l'échantillon, MI, et le débit de gaz, D) sur le T, et largeur à mi-hauteur (LMH) obtenu à partir de graphiques TG et TG dérivés de noir de carbone, respectivement. Par conséquent, un plan factoriel à deux niveaux a été prévu. L'analyse statistique a montré que l'effet de RT, MI, et à un degré moindre D est significatif sur la LMH et négligeable sur Tonss. Une méthodologie a ensuite été développée sur la base de la synthèse des SWCNT en utilisant le système PTI, à travers une approche chimique in situ. L'ammoniac (NH3) a été choisi et injecté à contre-courant dans le réacteur PTI à trois débits différents et en utilisant quatre types de buses différentes. La simulation numérique a indiqué un meilleur mélange du NH3 dans le réacteur PTI lorsqu'une buse particulière a été utilisée. Les résultats expérimentaux montrent l'augmentation d'intensité de D-bande dans les spectres Raman d'échantillons SWCNTs lors de l'injection du NH3. Le NH3 pourrait augmenter la teneur en azote du produit fini de SWCNTs jusqu'à 10 fois. L'échantillon des SWCNTs traitée avec 15% vol de NH3 a montré une dispersion accrue dans le diméthylformamide et l'isopropanol. Les nanostructures de carbone en forme d'oignon et plane, ont aussi été observées. Une caractérisation complémentaire sur l'échantillon des SWCNTs traités par NH3 à 15% vol., a indiqué une modification de la surface des nanotubes, où des tubes métalliques ont montré une plus grande réactivité avec NH3 que les semi-conducteurs. Le modèle, y compris le champ d'écoulement thermique du réacteur et la cinétique de décomposition thermique de NH3 a suggéré une modification de surface des SWCNTs en deux étapes dans laquelle les nanotubes réagissent premièrement avec les espèces intermédiaires de H et de NH2. Le NH3 s'adsorbe ensuite chimiquement sur les nanotubes. Le modèle a également suggéré que les espèces intermédiaires comme le NNH et le N2H2 jouent un rôle principalement en conduisant la décomposition du NH3 plutôt que la modification chimique des SWCNTs. // Abstract : Pristine single-walled carbon nanotubes (SWCNTs) are poorly dispersible and insoluble in many solvents and need to be chemically modified prior to their use in many applications. This work is focused on the investigation of the synthesis of chemically modified SWCNTs material through an in situ approach. The main objectives of the presented research are: I) to explore the in situ chemical process during the synthesis of SWCNT and 2) to closely examine the effect of a reactive environment on SWCNTs. Effects of the catalyst type and content on the SWCNTs final product, synthesized by induction thermal plasma (1TP), were studied to replace toxic cobalt (Co) in the feedstock. In this regard, three different catalyst mixtures (i.e. Ni-Y203, Ni-Co-Y203, and Ni-Mo-Y203) were used. Experimental results showed that the catalyst type affects the quality of the SWCNT final product. Similar quality SWCNTs can be produced when the same amount of Co was replaced by Ni. Moreover, the results observed in this experimental work were further explained by thermodynamic calculation results. Thermogravimetry (TG) was used throughout the work to characterize the SWCNTs product. TG was firstly standardized by studying the effects of three main instrumental parameters (temperature ramp, TR, initial mass of the sample, 1M, and gas flow rate, FR) on the Lise, and full-width half maximum (FWHM) obtained from TG and derivative TG graphs of carbon black, respectively. Therefore, a two-level factorial statistical design was performed. The statistical analysis showed that the effect of TR, IM, and to a lower extent, FR, is significant on FWHM and insignificant on T01, 1. A methodology was then developed based upon the SWCNTs synthesis using the 1TP system, through an in situ chemistry approach. Ammonia (NH3) was selected and counter-currently injected into the ITP reactor at three different flow rates and by four different nozzle designs. Numerical simulation indicated a better mixing of NH3 in the ITP reactor when a certain nozzle was used. The experimental results showed the increase of D-band intensity in the Raman spectra of SWCNT samples upon the NH3 injection. NH3 could increase the nitrogen content of the SWCNTs final product up to 10 times. The SWCNTs sample treated with 15 vol% NH3 showed an enhanced dispersibility in Dimethylformamide and Isopropanol. Onion-like and planar carbon nanostructures were also observed. Complementary characterization on the SWCNT samples treated by 15 vol% NH3 indicated the surface modification of nanotubes. Metallic tubes showed a higher reactivity with NH3 than semiconducting ones. The model including the reactor thermo-flow field and NH3 thermal decomposition kinetics suggested a two-step SWCNT surface modification in which nanotubes firstly react with H and NH2 intermediates and later, NH3 chemisorbs on the nanotubes. The model also suggested that the intermediate species, like NNH and N2H2, play a rote primarily in driving the NH3 decomposition rather than the chemical modification of SWCNTs. [symboles non conformes]

Résumé : La pollution de l'environnement est devenue un problème mondial majeur. Le développement rapide des industries de procédés conduit à une augmentation constante des quantités d'eaux usées et des liqueurs contaminées rejetées. Les acides carboxyliques représentent une part importante de la charge organique des polluants dans les eaux usées et dans les solutions aqueuses industrielles. Une technologie efficace et respectueuse de l'environnement est donc requise pour réduire les effets négatifs de l'industrialisation sur l'environnement et pour éliminer les polluants des eaux usées et des liqueurs industrielles contaminées. Le plasma thermique submergé à courant continu (CC) est l'une des technologies proposées pour éliminer les contaminants des liquides et des solutions. Le réacteur au plasma thermique submergé à courant continu est un nouveau réacteur dans lequel le contact direct entre le plasma et la solution est établi. Une caractéristique importante du plasma thermique type CC est le gaz de plasma. Selon le type du gaz plasmagène, les plasmas thermiques CC présentent différents taux de décomposition, d’espèces réactives, d’enthalpies, de conductivités thermiques, et de temps de vie des électrodes. Parmi les différentes torches des plasmas thermiques CC, la torche à plasma thermique à mélange gazeux à base de CO[indice inférieur 2], récemment inventée, présente une amélioration très significative de la performance, c'est-à-dire une enthalpie plasmatique et une conductivité thermique élevées par rapport à celles des gaz de plasma concurrents. Une approche principalement expérimentale a permis d’étudier la faisabilité et le mécanisme de décomposition de l'acide carboxylique à haut poids moléculaire dans des solutions via les différents plasmas thermique submergés à CC. L'acide sébacique, un acide carboxylique à haut poids moléculaire a été choisi comme représentant de contaminant de type organique dans la liqueur Bayer. Deux différentes torches de plasma, incluant la torche à plasma oxygène et air ainsi que la torche à plasma CO[indice inférieur 2]/CH[indice inférieur 4] nouvellement conçues ont été utilisées. L'effet des différentes conditions de fonctionnement en incluant le temps de traitement, le pH initial de la solution, et la pression du réacteur, ainsi que le rôle des agents oxydants tels que le H[indice inférieur 2]O[indice inférieur 2], ont été étudiés sur la décomposition de l'acide sébacique. Pour identifier le rôle des différents gaz de plasma et des conditions opérationnelles sur le mécanisme de décomposition et sur les produits intermédiaires, une caractérisation qualitative et quantitative a été réalisée sur les solutions traitées avec la méthode de chromatographie ionique couplée à la spectrométrie de masse (IC/MS). L'effet thermochimique des gaz de plasma sur la décomposition de l’acide sébacique et sur les produits intermédiaires a également été étudié. À travers les différents essais réalisés dans cette étude, il a été montré pour la première fois que la décomposition de l'acide carboxylique de poids moléculaire élevé est réalisable avec le plasma thermique submergé en utilisant des gaz de plasmas différents. Le taux de décomposition d'acide sébacique lors de l’utilisation d’un plasma thermique à oxygène en milieu basique est plus élevé par rapport aux autres plasmas thermiques (air, et CO[indice inférieur 2]/CH[indice inférieur 4]) en mode submergé. Il a été constaté que cela est dû principalement à sa forte concentration en espèces oxydantes telles que l’ozone. Il a été observé que la décomposition de l'acide sébacique en milieu basique par l’utilisation de plasma d’oxygène et de plasma à air se produit par un mécanisme d'oxydation consécutif jusqu'à la production finale d'acides di-carboxyliques de plus faibles poids moléculaires et de CO[indice inférieur 2] (dissous dans la solution sous la forme de carbone inorganique). Il a été trouvé aussi pour la première fois que le plasma thermique submergé CO[indice inférieur 2]/CH[indice inférieur 4], peut décomposer l'acide carboxylique de poids moléculaire élevé sur la base d’un mécanisme séquentiel de photo-oxydation en raison de sa forte intensité de rayonnement ultraviolet. Le plasma de CO[indice inférieur 2]/CH[indice inférieur 4] a montré une vitesse de décomposition supérieure dans le milieu neutre. Par contre, en milieu basique, le plasma d'oxygène et le plasma d'air ont montré une vitesse de décomposition plus élevée. Il a également été montré que l'ajout d'H[indice inférieur 2]O[indice inférieur 2] en milieu basique a augmenté la vitesse de décomposition de l'acide sébacique avec le plasma CO[indice inférieur 2]/CH[indice inférieur 4] jusqu’à la même vitesse de décomposition que le plasma d'oxygène dû à une plus grande intensité de rayonnement UV du plasma de CO[indice inférieur 2] en comparaison avec celle du plasma d'oxygène. Dans une perspective plus générale, à travers différentes expériences, il a été montré que le plasma de CO[indice inférieur 2]/CH[indice inférieur 4] peut offrir une grande vitesse de décomposition des acides carboxyliques de poids moléculaire élevés dans un milieu acide et neutre, et également en milieu basique en présence de peroxyde d'hydrogène. Cela permettra le traitement des contaminants dans une grande variété de conditions de solution à l'aide de plasma du gaz CO[indice inférieur 2]. Les résultats de cette thèse aident à mieux comprendre la décomposition des contaminants organiques à hauts poids moléculaires dans les solutions utilisant les plasmas thermiques submergés. De plus, ces résultats proposent une application potentielle pour la torche à plasma de CO[indice inférieur 2] pour le traitement des eaux usées. // Abstract : Environmental pollution has become a major global problem. Rapid development of process industries leads to a constant increase in amounts of wastewater and contaminated industrial process liquors. Carboxylic acids represent a significant portion of the organic load of pollutant in wastewater and industrial aqueous solutions. An effective and environmentally friendly technology is therefore required to reduce the negative effects of industrialization on the environment and subsequently remove pollutants from wastewater and contaminated industrial liquors. DC (Direct Current) submerged thermal plasma is one of the proposed technologies for removing contaminants from liquids and solutions. DC submerged thermal plasma reactor is a novel reactor in which the direct contact between plasma and solution is established. An important characteristic of typical DC thermal plasma is the plasma gas. Depending on the type of plasma gas, DC thermal plasmas present different decomposition rates, reactive species, enthalpy, thermal conductivity, and electrode life time. Among different DC thermal plasma torches, the recently invented CO[subscript 2]-based gas mixture thermal plasma torch exhibits a very significant performance improvement, i.e. high plasma enthalpy and high thermal conductivity in comparison with competing plasma gases. In this study, by a mainly experimental approach, the feasibility and decomposition mechanism of high molecular weight carboxylic acid in solution via different DC submerged thermal plasmas has been investigated. Sebacic acid, a high molecular weight carboxylic acid, was selected as a representative of a typical organic contaminant in Bayer liquor. Two different DC plasma torches have been used including oxygen DC plasma torch and the newly designed CO[subscript 2]/CH[subscript 4] plasma torch. The effect of different operational conditions including treatment time, initial solution pH, and the reactor pressure as well as the role of oxidizing agents such as H[subscript 2]O[subscript 2], were investigated on the decomposition of sebacic acid. To identify the role of different plasma gases and operational conditions on the decomposition mechanism and its intermediate products, qualitative and quantitative characterization was done on the treated solutions with IC/MS (Ion Chromatography/Mass Spectrometry) method. The thermochemical effect of the plasma gases on the decomposition of sebacic acid and its intermediate products was also investigated. Through different experiments, it was shown for the first time that decomposition of high molecular weight carboxylic acid is feasible with submerged thermal plasma by using different plasma gases. The decomposition rate of sebacic acid by using oxygen thermal plasma in basic medium was higher compared with other thermal plasmas (air, and CO[subscript 2]/CH[subscript 4]) in submerged mode. It was found that the higher decomposition rate with oxygen plasma is mostly due to its high concentration of oxidant species such as ozone. The decomposition of sebacic acid in basic medium with oxygen and air plasma was revealed to occur with a consecutive oxidation mechanism up to the final production of the lowest molecular weight di-carboxylic acids and CO[subscript 2] gas (dissolved in solution in the form of inorganic carbon). It was found for the first time that the CO[subscript 2]/CH[subscript 4] submerged thermal plasma can decompose well high molecular weight carboxylic acid based on a sequential photo-oxidation mechanism due to its high ultraviolet (UV) radiation intensity. The CO[subscript 2]/CH[subscript 4] plasma showed higher decomposition rate in neutral medium, however oxygen and air plasma showed higher increased the sebacic acid decomposition rate with the CO[subscript 2]/CH[subscript 4] plasma up to the same decomposition rate of the oxygen plasma due to higher UV radiation intensity of the CO[subscript 2] plasma than that of the oxygen plasma. In a more general perspective, through different experiments, it was shown that CO[subscript 2]/CH[subscript 4] plasma can offer high decomposition rate for high molecular weight carboxylic acids in acidic and neutral medium and also in basic medium in the presence of hydrogen peroxide. This will allow using plasma for treatment of contaminants in a wide variety of solution conditions by using CO[subscript 2] gas. The findings of this thesis therefore will shed light on the decomposition of large organic contaminants in solutions with submerged thermal plasmas. Also, it provides a potential application for CO[subscript 2] plasma torch in wastewater treatment.

Dans le domaine des plasmas thermiques, de nombreux procédés industriels sont caractérisés en supposant l'équilibre thermique. Cependant ces conditions d'équilibre ne sont pas remplies près des bords des plasmas crées par des arcs électriques ou des jets de plasmas. Les écarts à l'équilibre modifient alors considérablement la cinétique chimique du milieu et peuvent affecter le procédé étudié. La compréhension, l'analyse et la prédiction de ces procédés demandent alors une modélisation physique du plasma à deux températures (2T). Cette modélisation s'appuie sur le calcul préalable des propriétés du plasma 2T, calcul qui fait l'objet de cette thèse. La première partie de ce travail est consacrée au calcul de la composition d'un plasma à 2T. Il existe dans la littérature plusieurs théories permettant de calculer les densités des espèces pour un plasma hors équilibre mais l'originalité de ce travail se trouve dans l'établissement d'une loi « pseudo cinétique » régissant le peuplement des espèces. La seconde partie concerne le calcul des propriétés thermodynamiques. Elle s'appuie sur une étude bibliographique des méthodes de calcul déjà existantes et des données indispensables à l'obtention de telles propriétés. Un effort particulier est fait pour séparer les contributions des électrons et celles des particules lourdes dans les échanges d'énergie. La dernière partie de cette thèse est dédiée aux calculs des coefficients de transport. Nous évoquons les grandes lignes de calculs des propriétés intermédiaires avant de présenter les différentes théories existantes dans la littérature. Tous les résultats ont été validés par confrontation du calcul à l'ETL avec la littérature.

La spectroscopie de plasma induit par laser ou LIBS (Laser-Induced Breakdown Spectroscopy)est aujourd’hui utilisée dans de nombreux secteurs d’activités du fait des atouts qu’ellepossède. Cette technologie permet de caractériser la composition élémentaired’échantillons quel que soit leur phase (gaz, solide et liquide), rapidement (10-6s), de façon insitu et sans contact, et à pression et température ambiantes. Ces caractéristiques présententun intérêt pour des applications militaires de détection de traces d’agents chimiquescontaminant une surface. L’objectif de cette étude est d’étudier le potentiel de cettetechnologie afin de détecter les espèces chimiques présentes dans les agents réels, tels quele phosphore, le fluor, le chlore et le soufre sur des surfaces d’échantillons polluésreprésentatifs de milieux opérationnels. Pour améliorer les performances analytiques de latechnique LIBS classique à simple impulsion, la configuration double impulsion estdéveloppée et comparée à la méthode simple impulsion. Son principe repose sur l’envoisuccessif de deux impulsions laser résolues générant au point focal un plasma thermique serelaxant in fine en émettant des raies spécifiques de la composition élémentaire. Les gainsanalytiques, ainsi que les limites de détection sont évalués pour plusieurs typesd’échantillons représentatifs. Une comparaison avec les seuils de détection attendus estétablie. / Laser-Induced Breakdown Spectroscopy (LIBS) is currently used in many fields of activity,thanks to its numerous uses. This technology allows fast measurement (10-6 s), with in situconfiguration, at ambient pressure and temperature, of different samples in gaseous, liquidor solid phase. These performances present a high interest for military applications to detectchemical agent traces on surfaces. The aim of this study is to investigate the potential of thistechnology in the detection of specific chemical atoms of live agents such as phosphorus,fluorine, chlorine, and sulfur on the surface of contaminated samples representing thetheatre. In order to improve the analytical performances of classical technical LIBS of singlepulse, a double pulse method was developed and compared to single pulse method. Itsprinciple is based on the emission of two successive laser impulsions resolved in space andtime, generating in the focal point thermal plasma which relaxes in fine emitting specificradiation of the elementary composition. The analytical gains, as for detection thresholdsare evaluated for each type of samples. A comparison of the detection thresholds isestablished.

Les disjoncteurs à haute tension, présents dans le réseau électrique, permettent d'assurer en toute sécurité la distribution de l'électricité. Lorsqu'un défaut est détecté, ou lors d'une intervention de maintenance, l'ouverture des contacts électriques au sein du disjoncteur entraine l'apparition d'un arc électrique à ses bornes. La protection et la coupure ne seront effectives que lorsque l'arc électrique aura été coupé. De nombreux paramètres, géométriques et physiques entrent en jeu dans la capacité de coupure d'un disjoncteur. L'objectif de ces travaux de thèse consistait à analyser l'impact du plasma sur les différents matériaux constituant le disjoncteur. Une démarche purement théorique est abordée à travers l'utilisation du logiciel commercial ANSYS Fluent. Ces travaux sont menés en collaboration avec la société Siemens qui fournit les données expérimentales indispensables à la discussion et à la validation du modèle. Dans ce travail nous considérons dans un premier temps l'ablation des tuyères en téflon. Ce phénomène est pris en compte dans notre étude, au travers d'un modèle d'ablation basé sur la théorie de T. Christen. L'ablation des parois joue un rôle fondamental sur la montée en pression dans les volumes de chauffage, et a une incidence directe sur la réalisation de la coupure. Ainsi le rôle et la quantification des vapeurs de C2F4 sont discutés et détaillés. La deuxième interaction plasma/matériau qu'il convenait d'étudier est celle avec l'électrode mobile constituée d'un mélange tungstène cuivre. Cette interaction est rarement étudiée au niveau des travaux de la littérature. La mise en place nécessite le développement de modèles de sous couches, en proche voisinage de l'électrode, basés sur des balances d'énergie et de flux qui permettent de déterminer par des approches hors équilibre la température des électrodes et le taux de production de vapeurs. Sur une configuration réelle de disjoncteur les caractéristiques temporelles des grandeurs physiques (température, vitesses, pression) et électriques (courant, tension) sont présentées et discutées dans la phase fort courant. Nous concluons sur la nécessité de considérer l'ablation du C2F4 pour une bonne description de la montée en pression dans les volumes de chauffage car ils conditionnent le soufflage au moment du passage par le zéro du courant, et sur la nécessité de prendre en compte les vapeurs de cuivre car celles-ci sont présentes au passage par zéro du courant et conditionnent alors le pouvoir de coupure du disjoncteur. / High-voltage circuit breakers, present in the power grid, ensure in safety the electricity distribution. When an error is detected, or for a maintenance operation, the opening of the electrical contacts within the circuit breaker causes the appearance of an electric arc at its terminals. Protection and cut-off will only be effective if the electrical arc cut off. Many parameters, geometric and physical, are involved in the breaking capacity of a circuit breaker. The aim of this work is to analyze the impact of plasma on the various materials making up the circuit breaker. A purely theoretical approach is tackled through the use of the commercial software ANSYS Fluent. This work is carried out in collaboration with Siemens, which provides the experimental data necessary for the discussion and validation of the model. In this work, we first consider the ablation of teflon nozzles. This phenomenon is taken into account in our study, using an ablation model based on the theory of T. Christen. The ablation of the walls plays a fundamental role on the rise in pressure in the heating volumes, and has a direct effect on the cut-off realization. Thus, the role and quantification of C2F4 vapors are discussed and detailed. The second plasma / material interaction that should be studied is that with the mobile electrode made of a tungsten copper mixture. This interaction is rarely studied in the literature. The implementation requires the development of sub-layers models in the vicinity of the electrode, based on energy and flux balances, which make it possible to determine by non-equilibrium approaches the temperature of the electrodes and the rate of vapor production. On a real circuit breaker configuration, the temporal characteristics of the physical (temperature, velocities, pressure) and electrical (current, voltage) quantities are presented and discussed in the high current phase. We conclude on the need to consider the ablation of C2F4 for a good description of the rise in pressure in the heating volumes because they condition the blowing at the moment of current-zero and on the need to take into account the copper vapors because these are present at the zero crossing of the current and then condition the breaking capacity of the circuit breaker.

L’apparition accidentelle d’un arc électrique dans le système de distribution électrique d’un aéronef peut compromettre la sécurité du vol. Il existe peu de travaux liés à cette problématique.Le but de ce travail est donc d’étudier le comportement d’un arc électrique, en conditions aéronautiques,par des approches théorique, numérique, et expérimentale. Dans ce travail, un modèle MHD de la colonne d’arc à l’ETL a été utilisé, et résolu à l’aide du logiciel commercial comsolMultiphysics. Afin de décrire l’interaction plasma-électrodes, le modèle a dû étendu pour inclure les écarts à l’équilibre près des électrodes. Ces zones ont été prises en compte en considérant la conservation du courant et de l’énergie dans la zone hors-équilibre. L’approche choisie et le développement du modèle ont été détaillés. La validation du modèle dans le cas d’un arc libre a montré un excellent accord avec les résultats numériques et expérimentaux de la littérature.Ce modèle d’arc libre a été étendu au cas de l’arc se propageant entre des électrodes en configuration rails et en géométrie 3D. Une description auto-cohérente du déplacement de l’arc entre les électrodes a été réalisée. La simulation numérique a été faite pour des arcs en régimes DC, pulsé et AC à des pressions atmosphériques et inférieures. Les principales caractéristiques de l’arc ont été analysées et discutées. Les résultats obtenus ont été comparés avec les résultats expérimentaux et ont montré un bon accord.Ce modèle d’arc électrique est capable de prédire le comportement d’un arc de défaut dans des conditions aéronautiques. Des améliorations du modèle sont discutées comme perspectives de ce travail. / The ignition of an electric arc in the electric distribution system of an aircraft can be a serious problem for flight safety. The amount of information on this topic is limited, however. Therefore,the aim of this work is to investigate the electric arc behavior by means of experiment and numerical simulations.The MHD model of the LTE arc column was used and resolved numerically using the commercial software comsol Multiphysics. In order to describe plasma-electride interaction, the model had to be extended to include non-equilibrium effects near the electrodes. These zones were taken into account by means of current and energy conservation in the non-equilibrium layer. The correct matching conditions were developed and are described in the work. Validation of the model in the case of a free burning arc showed excellent agreement between comprehensive models and the experiment.This model was then extended to the case of the electric arc between rail electrodes in a 3D geometry. Due to electromagnetic forces the electric arc displaces along the electrodes. A self-consistent description of this phenomenon was established. The calculation was performed for DC, pulsed and AC current conditions at atmospheric and lower pressures. The main characteristics of the arc were analyzed and discussed. The results obtained were compared with the experimental measurements and showed good agreement.The model of electric arcs between busbar electrodes is able to predict the behavior of a fault arc in aeronautical conditions. Further improvements of the model are discussed as an outlook of the research.

Le Disjoncteur Basse-Tension (DBT) est un appareil classique de la distribution électrique depuis plus de cinquante ans. Mais aujourd'hui, avec l'arrivée de produits bas-coût fabriqués dans les pays émergents, les industriels sont soumis à une forte pression pour développer de nouveaux systèmes moins encombrants, utilisant d'autres matériaux, ou incorporant davantage de fonctionnalités. Cette recherche est très compliquée dans la mesure où le DBT est un système hautement multi-physique (mécanique, thermique, physique des matériaux, physique des plasmas, ...). De fait, le développement de nouveaux produits passe par un processus empirique long et coûteux. Cet effort pourrait être réduit par l'utilisation de modèles prédictifs permettant d'arriver plus vite à un système fonctionnel. De nos jours, avec l'augmentation des moyens de résolution numérique, de plus en plus de travaux portent sur la description multi-physique en 3D du DBT et notamment sur la chambre de coupure ou l'arc électrique est amorcé, se déplace et doit être éteint, l'objet de nôtre étude. Le travail de cette thèse se divise en deux axes complémentaires : le développement d'un modèle fluide 3D en méthode des volumes finis simulant l'arc électrique et son déplacement dans la chambre de coupure; ainsi que la mise en place d'un dispositif expérimental permettant d'analyser le phénomène physique en œuvre. Pour ces deux points la problématique est abordée dans une configuration simplifiée de DBT où l'arc se déplace entre deux rails parallèles dans une chambre parallélépipédique. Basé sur le savoir-faire du groupe AEPPT, un modèle numérique est établi pour simuler le plasma thermique. Les particularités de ce modèle, du fait de l'application, sont la nécessité d'une résolution précise du champ magnétique en utilisant le calcul de Biot & Savart pour les conditions limites ainsi que l'utilisation de méthodes permettant le déplacement et la commutation de l'arc. La validation de ce modèle se fera à géométrie similaire par confrontation avec l'expérience. En s'inspirant de précédents travaux nous avons réalisé une maquette expérimentale composée d'un réacteur faisant office de chambre de coupure et d'un mécanisme permettant l'amorçage de l'arc dans le réacteur par ouverture rotative du contact à vitesse contrôlée. D'autres paramètres modifiables sont la taille du réacteur ainsi que les matériaux qui le constituent. Les diagnostiques disponibles en plus de la mesure de courant et de tension sont l'imagerie rapide et la mesure de pression en différents points de la chambre de coupure. Notre expérience est utile pour la réalisation d'études paramétriques en découplant facilement les paramètres. En outre, par la mise en évidence des phénomènes prépondérants, notre maquette aide à la mise en place du modèle en plus de permettre sa validation expérimentale. Cette thèse est donc une étape cruciale vers la mise en place d'un modèle prédictif. / Low-Voltage Circuit Breakers (LVCB) are classical apparatuses of electrical distribution since more than fifty years. But nowadays, with the outbreak of low-cost products from the developing countries, industry is under a strong stress in order to improve their devices by making them more compact, using different materials or to implement new functionalities. This research is harsh since LVCB are highly multiphysics systems (mechanics, thermal properties, materials, plasma physics, ...). Therefore, developing new products goes through a long and expensive empirical process. Those efforts could be reduced by using predictive models allowing to get faster to a functional device. With the improvements of the numerical solution capacity, there are more and more works toward the 3D multiphysical description of the LVCB, especially on the extinction chamber where the electrical arc is ignited, moved and must be quenched. This is the subject of our work. The study described here is divided in two complementary parts: development of a 3D fluid model with finite volume method simulating the electrical arc and its movement inside the arc extinction chamber; and the set-up of experimental means to analyse this physical phenomenon. For those two points, we use a simplified LVCB configuration with an arc moving between two parallel rails inside a rectangular box chamber. Based on AEPPT's know-how, a numerical model is established to simulate thermal plasma. Particularities on this model, due to the application, are the resolution of Biot&Savart law to calculate precisely the magnetic field for the boundary condition and the development of methods to model the arc roots movement and commutation of the arc from the moving contact to the rail. Validation of this model will be done with the same geometry by confrontation with the experiment. Inspired by precedent works we designed a test apparatus with a reactor representing the extinction chamber of the LVCB and an opening mechanism allowing arc ignition by contact opening at a specified speed. Other parameters such as size of the chamber and materials can be modified. Measurements will include high speed imaging and pressure acquisition in several points of the reactor in addition to the classical current and voltage measurements. This experiment is useful for parametric studies with its easy uncoupling of the parameters. Moreover, by highlighting the dominating phenomena for arc movement, this set-up helps in the build-up of the model over and above the experimental validation.