L’utilisation de plasmas, qu’ils soient thermiques ou basse pression, dans le domaine biomédical remonte aux années 1970. Au cours de ces dernières années, les développements concernant des jets de plasma froid à pression atmosphérique, ont permis un élargissement des domaines d’applications biomédicales des plasmas. Au sein du GREMI, un type de jet de plasma a été développé : le Plasma Gun. Le plasma généré par le Plasma Gun se propage sur de longues distances à l’intérieur de capillaires. L’optimisation des traitements visés nécessite une étude approfondie des décharges créées par le Plasma Gun. La caractérisation du Plasma Gun a mis en évidence la génération de Pulsed Atmospheric pressure Plasma Streams ou PAPS, ces derniers se propageant du réacteur jusque dans l’air ambiant où ils génèrent une plume plasma. Ces PAPS présentent deux modes de propagation, au cours desquels une connexion entre le front d’ionisation et le réacteur est présente en permanence. Ces deux modes nommés respectivement Wall-hugging et Homogène, diffèrent principalement par la morphologie et la vitesse de propagation des PAPS qui leur sont associés. Chacun de ces modes présentent donc des caractéristiques qui leur sont propres mais certaines propriétés de propagation leur sont communes, telles que la possibilité de division ou de réunion de PAPS, ainsi que du transfert de PAPS à travers une barrière diélectrique ou via un capillaire métallique creux. L’étude de la plume plasma, propagation des PAPS dans l’air ambiant, a souligné l’importance de la longueur des capillaires sur la longueur du jet plasma. De plus, la génération du plasma a une très forte influence sur l’écoulement du gaz et la structuration du jet lors de son expansion dans l’air. / The use of plasmas, thermic or low pressure, in biomedical goes back up to 1970s. During these last years, atmospheric pressure cold plasma jets have been developed, allowed an increase of biomedical applications of plasmas. In GREMI, a plasma jet was developed : the Plasma Gun (PG). The plasma generated by the PG propagates on long distances inside capillaries. The optimization of the aimed treatments requires a detailed study of the discharges created by the PG. The characterization of the PG highlights the generation of Pulsed Atmospheric pressure Plasma Streams or PAPS, these last ones propagating from the reactor to the capillary outlet (ambient air) where they generate a plasma plume. These PAPS present two propagation modes, during which a connection between the ionization front and the reactor is present permanently. These two modes named respectively Wall-hugging and Homogeneous, differ mainly by the morphology and their propagation velocity. These modes have common characteristics, such as the possibility of division or meeting of PAPS, as well as the transfer of PAPS through a dielectric barrier or via a hollow metal capillary. The study of the plasma plume underlined the importance of the length of capillaries on the length of the plasma jet. Furthermore, the generation of the plasma has a very strong influence on the gas flow and the jet structuration during air expansion.

Ce mémoire signe la fin de ma maîtrise dans le cadre du master Sciences et Technologies des Plasmas (STP), à l’Université Paul Sabatier de Toulouse, en partenariat avec l’Univer- sité de Montréal dans le cadre d’une double diplomation. L’objectif de cette double tutelle, portée par Ahmad Hamdan à Montréal et Flavien Valensi à Toulouse, est l’étude d’une décharge streamer en interaction avec une goutte d’eau au moyen du développement d’un modèle numérique. La goutte est positionnée entre deux électrodes pointes, le tout, sur un support en Téflon. Pour ce faire un modèle fluide permettant de suivre l’évolution spatio-temporelle des élec- trons, des ions positifs et des ions négatifs a été construit en python. L’équation dérive- diffusion est résolue, en 2D, pour chaque espèce, ainsi que l’équation de Poisson afin d’obtenir le champ électrique dans tout le domaine de calcul. Les coefficients de transport sont tabulés en fonction du champ électrique réduit dans l’hypothèse d’équilibre avec le champ électrique local. La photoionisation, jouant un rôle important pour la propagation du streamer positif à pression atmosphérique, a également était prise en compte au travers de la résolution de trois équations d’Helmholtz. Le modèle a été validé en comparant le terme source par impact électronique, supposé pro- portionnel à l’émission lumineuse, obtenu numériquement, à la lumière émise par la décharge enregistrée expérimentalement dans le domaine visible à l’aide d’une caméra ICCD. La dy- namique de la décharge a pu être étudiée grâce à l’évolution spatio-temporelle du champ électrique, de la densité électronique et de la densité de charge d’espace. L’influence de la constante diélectrique de la goutte sur la dynamique de la décharge a été ensuite étudiée. La répartition spatiale du champ électrique étant modifiée par le diélec- trique, son influence sur la décharge est importante. La vitesse de propagation des streamers est diminuée lorsque la permittivité de la goutte diminue ainsi que la valeur de la densité électronique dans le canal conducteur une fois formé. Enfin, l’angle de contact entre la goutte et le Téflon a été modifié. Les résultats ainsi obte- nus permettent de prédire le comportement de la décharge sur des géométries pouvant être rencontrées dans différentes situations expérimentales / This thesis marks the completion of my Master’s degree in the framework of the Plasma Sciences and Technologies (STP) program at the Paul Sabatier University of Toulouse, in partnership with the University of Montreal for a dual degree. The objective of this joint supervision, led by Ahmad Hamdan in Montreal and Flavien Valensi in Toulouse, is to study a streamer discharge interacting with a water droplet through the development of a numer- ical model. The droplet is positioned between two pointed electrodes, all placed on a Teflon substrate. To achieve this, a fluid model capable of tracking the spatiotemporal evolution of electrons, positive ions, and negative ions was constructed in Python. The drift-diffusion equation is solved in 2D for each species, along with the Poisson equation to obtain the electric field throughout the computational domain. Transport coefficients are tabulated as a function of the reduced electric field, assuming local equilibrium with the electric field. Photoionization, which plays a significant role in the propagation of positive streamers at atmospheric pres- sure, is also taken into account through the solution of three Helmholtz equations. The model was validated by comparing the source term due to electron impact, assumed to be proportional to the emitted light, obtained numerically, with the light emitted by the discharge recorded experimentally in the visible range using an ICCD camera. The discharge dynamics were studied through the spatiotemporal evolution of the electric field, electron density, and space charge density. The influence of the dielectric constant of the droplet on the discharge dynamics was then investigated. The spatial distribution of the electric field is modified by the dielectric, thus having a significant impact on the discharge. The streamer propagation velocity is reduced when the permittivity of the droplet decreases, as well as the value of the electron density within the formed conductive channel. Lastly, the contact angle between the droplet and Teflon was modified. The obtained re- sults allow predicting the behavior of the discharge on geometries encountered in different experimental situations.

Ce travail concerne l'étude de l'utilisation des décharges électriques pour traiter des solutions aqueuses contenant des polluants organiques. Lorsque l'énergie électrique est injectée dans la décharge, grâce aux électrons énergétiques elle est en partie convertie en énergie chimique, c'est-à-dire en espèce radicalaires et excitées, qui vont pouvoir réagir sur les molécules présentes et dégrader des polluants. Trois types de décharges électriques ont été analysés : streamer dans l'eau qui est principalement étudiée dans ce travail, arc transitoire dans l'eau et décharge couronne dans l'air humide au-dessus de la surface de l'eau. Un interrupteur à semi-conducteur, permettant d'appliquer une impulsion de tension calibrée, est employé pour minimiser l'énergie perdue par effet Joule, supprimer le claquage, et ainsi optimiser le procédé. En utilisant des électrodes pointe-plan, le type de décharge est choisi en changeant la distance et la durée de l'impulsion de tension. Une étude sur la caractérisation électrique des streamers est effectuée en fonction de la tension appliquée et de la conductivité de la solution afin d'établir un bilan d'énergie électrique dépensée pour créer des streamers. Le rendement énergétique et l'efficacité des trois méthodes sur la dégradation de trois polluants - types sont mesurés par analyses chimiques (dosage par HPLC, mesure de Carbone Organique Total).

This dissertation deals with research on the numerical modelling of electrical discharges in laboratory long air gaps excited with positive switching impulses. It begins with the preliminary work of several scientists during the last decades, making a detailed analysis of different approaches for modelling all the stages in a full discharge. The relations between these models are identified as well as the effect on the outcome when modifying some important input parameters. The general concept describing the discharge phenomenon usually includes three main elements: the streamer inception, the streamer-to-leader transition and the stable leader propagation. These elements are present in many of the analysed models and the main differences between them are the assumptions and simplifications made by each author at a specific point in their methodologies. The models are usually simplified by assigning experimentally determined values to physical constants pertinent to different stages of the full discharge. These constants are the potential gradient in the leader-corona region to sustain the leader propagation, the charge per unit length along the leader channel which depends on the atmospheric conditions and the voltage impulse wave shape; and the leader propagation velocity, which is closely related to the discharge current. The dissertation includes the results of laboratory work related the study of leaders in long gap discharges, electrical parameters and optical records. By reconstructing the three-dimensional leader propagation for the rod-to-plane configuration, it was possible to study the random tortuous path followed by the leader as it propagates. One important element included in the discharge modelling is the representation of the leader-corona region in front of the leader tip as it propagates towards the grounded electrode. For the calculation of the net charge available in the leader-corona region, two new methodologies were pro-posed based on the electrostatic potential distribution obtained from a finite element method solver. This allowed the inclusion of more elements representing different parts of the discharge in the simulation domain. In the final part, all the analysed elements and the new proposed ones were included in a new methodology for the modelling of electrical dis-charges in long air laboratory gaps. The results obtained from this methodology were compared to experimental data. A good agreement was found between the simulation results and the experimental data.

Dans cette thèse, un modèle de la dynamique du plasma après un claquage microonde dans l'air à pression atmosphérique a été développé. Ce modèle a permis d'expliquer pour la première fois la formation et la dynamique de structures filamentaires auto-organisées lors du claquage microonde. Le claquage microonde dans l'air à pression atmosphérique a été récemment observé au MIT dans des expériences mettant en oeuvre une source microonde de puissance et des caméras rapides. Les mesures montrent que, lors du claquage, un ensemble structuré de filaments de plasma se forme et se dirige vers la source à une vitesse de plusieurs km/s. Les mécanismes de formation et de propagation de ces structures auto-organisées de plasma ne sont pas bien compris et l'objectif de cette thèse a été de mettre en évidence et de modéliser les phénomènes physiques de base qui en sont responsables. Dans le but de décrire la dynamique du plasma après claquage, les équations de Maxwell ont été couplées à un modèle simple de plasma et résolues numériquement. Le modèle de plasma suppose la quasineutralité et décrit l'évolution de la densité de plasma sous l'effet de la diffusion, de l'ionisation, de l'attachement et de la recombinaison électron-ion. L'ionisation et l'attachement sont supposés dépendre du champ électrique effectif local. La vitesse moyenne électronique est déduite d'une équation de transport de quantité de mouvement simplifiée. La diffusion des particules chargées est ambipolaire au sein du plasma mais devient libre dans le front où la densité chute à zéro. Une expression heuristique de la transition entre diffusion ambipolaire dans le corps du plasma et diffusion libre sur les bords a été établie et validée à l'aide d'un modèle mono-dimensionnel de type dérive-diffusion-Poisson que nous avons développé et dans lequel on ne suppose pas la quasineutralité du plasma. Le modèle plasma-Maxwell quasineutre a ensuite été utilisé pour étudier la dynamique du plasma après claquage dans les conditions des expériences du MIT. Les résultats numériques montrent la formation de structures filamentaires auto-organisées de plasma en excellent accord qualitatif avec les observations expérimentales. Ces structures auto-organisées sont liées aux structures du champ électrique diffracté par le plasma. De nouveaux filaments se forment de façon continue dans le front du plasma par des phénomènes de diffusion-ionisation. Le modèle montre que la formation d'un réseau de filaments de plasma auto-organisé est dû à l'apparition des maxima de champ électrique de l'onde stationnaire formée dans le front du plasma. Dans la dernière partie de la thèse, la formation d'un filament de plasma isolé (ou streamer microonde) au maximum de champ formé à l'intersection de deux faisceaux microondes est analysée à l'aide du modèle. Le streamer microonde s'allonge parallèlement à la direction du champ en raison du renforcement du champ à ses pôles (phénomène de polarisation). L'intensité du champ aux extrémités du filament est modulée dans le temps en raison de phénomènes de résonance pour des longueurs de filaments voisines de multiples de la demi longueur d'onde.

Dans cette thèse, nous avons étudié d'un point de vue expérimental et numérique la dynamique et la structure des décharges de type streamer dans l'air à la pression atmosphérique. Deux configurations ont été étudiées: une décharge Nanoseconde Répétitive Pulsée (NRP) entre deux pointes dans l'air préchauffé et une Décharge à Barrière Diélectrique (DBD) dans une configuration pointe-plan. Nous avons montré que les simulations de la dynamique de ces décharges sur des temps courts permettent d'obtenir des informations sur la structure et les propriétés de ces décharges observées expérimentalement, généralement sur des temps plus longs. Dans le cadre de cette thèse, du point de vue de la simulation des décharges, deux nouvelles approches ont été développées: pour le calcul de la photoionisation et pour la prise en compte d'électrodes de forme complexe dans des maillages cartésiens. Pour le calcul de la photoionisation dans l'air, le modèle intégral de référence requiert de longs temps de calcul. Dans ce travail, afin d'éviter de lourds calculs intégraux, nous avons développé plusieurs modèles différentiels qui permettent de prendre en compte la dépendance spectrale de la photoionisation, tout en restant simples et peu coûteux en temps de calcul. Parmi les modèles développés, nous avons montré que le modèle appelé SP3 3-groupes basé sur une approximation d'ordre 3 de l'équation de transfert radiatif était plus précis pour la simulation des streamers. Afin de prendre en compte des électrodes de forme complexe dans les simulations, nous avons adapté une méthode GFM (“Ghost Fluid Method”) pour résoudre l'équation de Poisson afin de calculer précisément le potentiel et le champ électrique près de l'électrode. Cette méthode nous permet de prendre en compte l'influence de la forme exacte de l'électrode dans un maillage régulier, et ce quelque soit la forme de l'électrode. Nous avons réalisé des simulations en géométrie pointe-pointe étroitement liées à de récents travaux expérimentaux concernant des décharges générées par NRP dans de l'air préchauffé. Nous avons étudié la dynamique de la décharge dans l'espace inter-électrode pour différentes températures de l'air et différentes tensions appliquées. Nous avons montré que la structure de la décharge dépendait fortement de la tension appliquée, ce qui est en bon accord avec les expériences. Dans la partie expérimentale de ce travail, nous avons étudié un comportement particulier des filaments de plasma dans une DBD pendant la demi-alternance positive de la tension appliquée. La dynamique des décharges est fortement affectée par la charge de surface déposée sur le diélectrique. Nous avons simulé une configuration pointe-plan avec un diélectrique plan sur la cathode dans le but de mieux comprendre l'influence de l'accumulation de la charge de surface sur l'allumage et la propagation de décharges successives dans une DBD. Dans ce travail, nous avons simulé la propagation d'un streamer initié près de l'anode jusqu'au diélectrique, ainsi que la formation d'une décharge de surface sur celui-ci. Nous avons ainsi déterminé les échelles de temps et les processus responsables de l'écrantage d'un filament de plasma et les conditions d'allumage des décharges successives. Les résultats obtenus sont en bon accord avec l'expérience.

The three key steps of modern seismic imaging are (1) multiple attenuation, (2) velocity estimation, and (3) migration. The multiple-attenuation step is essentially designed to remove the energy that has bounces at the free surface (also known as "multiples"), since velocity estimation and migration assume that data contain only primaries (i.e., seismic events that have reflected or diffracted only once in the subsurface and have no free-surface reflection). The second step consists of estimating the velocity model such that the migration step can be solved as a linear inverse problem. This thesis concerns the multiple attenuation of towed-streamer data. We have proposed a new method for attenuating multiples and discussed how this method affects velocity estimation and migration. The multiple-attenuation approach used today in the E&P industry is based on the scattering theory. It is carried out in two steps: (1) the prediction of multiples using data only, and (2) the subtraction of multiples contained in the data using predicted multiples. One of the interesting features of these multiple-attenuation methods is that they do not require any knowledge of the subsurface. However there are still two drawbacks that limit the usage of these methods. They are (1) the requirement of acquiring very large 3D datasets which are beyond the capability of current seismic acquisition technology, and (2) the requirement of acquiring near-offset (including zero-offset) data. The method developed in this thesis can potentially overcome these two problems. The novelty of our approach here is to image receiver ghosts of primaries--events which have one bounce in the subsurface and one bounce at the free-surface that is also the last bounce--instead of primaries themselves. We propose to predict two wavefields instead of a single wavefield, as is presently done. One wavefield contains all free-surface reflections, including receiver ghosts of primaries, ghosts of multiples, and multiples. The other wavefield does not contain receiver ghosts of primaries. We pose the problem of reconstructing receiver ghosts of primaries as solving a system of two equations with three unknowns. The two wavefields are used to construct the two equations. The three unknowns are (1) the receiver ghosts of primaries, (2) the multiples contained in the wavefield containing the receiver ghosts of primaries, and (3) the multiples contained in the other wavefield. We solve this underdetermined system by taking advantage of the fact that seismic data are sparse. We have validated our approach using data generated by finite-difference modeling (FDM), which is by far the most accurate modeling tool for seismic data. Starting with a simple 1D model, we verified the effectiveness of predicting data containing multiples and receiver ghosts of primaries. Then we used the sparsity of seismic data to turn the system of two equations with three unknowns into a system of two equations with two unknowns on a datapoint basis. We have also validated our method for complex geological models. The results show that this method is effective, irrespective of the geology. These examples also confirm that our method is not affected by missing near-offset data and does not require special seismic 3D acquisition.

The research work presented here is concerned with numerical simulations of two different electrical phenomena: Long gap electrical discharges under switching impulses and the lightning attachment process associated with positive upward leaders. The development of positive upward leaders and the progression of discharges in long gaps are attributable to two intertwined physical phenomena, namely, the leader channel and the streamer zone. The physical description and the proposed calculations of the above-mentioned phenomena are based on experimental tests conducted in long spark gaps. The methodology presented here proposes a new geometrical approximation for the representation of the streamer and the calculation of the accumulated electrical charge. Furthermore, two different approaches to representing the leader channel are applied and compared. Statistical delays before the inception of the first corona, and random distributions to represent the tortuous nature of the path taken by the leader channel were included based on the behavior observed in experimental tests, with the intention of ensuring the discharge behaved in a realistic manner. A reasonable agreement was found between the physical model and the experimental test results. A model is proposed to simulate the negative discharges produced by switching impulses using the methodology developed to simulate positive leader discharges and the physics underlying the negative leader phenomena. The validation of the method demonstrated that phenomena such as the pilot leader and negative leader currents are successfully represented. In addition, based on previous work conducted on the physics of lightning and the lightning attachment process, a new methodology is developed and tested. In this new approach, the background electric field and the ionized region, considered in conjunction with the advance of the leader segment, are computed using a novel method. The proposed methodology was employed to test two engineering methods that are accepted in international standards, the mesh method and the electro-geometrical method. The results demonstrated that the engineering approximations are consistent with the physical approach. In addition to the electrical phenomena mentioned above, one should remember that, to simplify the calculation, there are certain real effects arising from the lightning attachment process that have not been considered. In fact, when a structure is subjected to a strong electric field, it is possible to generate multiple upward leaders from that structure. This effect has not been taken into account in the numerical models available previously, and therefore the process of generating multiple upward leaders incepted over a structure is incorporated here. The results have shown that a slight advantage from the background electric field is enough for one upward connecting leader to take over, thereby forcing the others to abort the attachment process.

Η παρούσα εργασία αναφέρεται στη μελέτη της ηλεκτρικής εκκένωσης τύπου κορώνας και ιδιαίτερα στα ηλεκτρικά και υδροδυναμικά (ηλεκτρικός άνεμος) φαινόμενα που τη συνοδεύουν. Μια εκκένωση κορώνας είναι το φαινόμενο που δημιουργείται σε ένα αέριο διάκενο μεταξύ δύο ηλεκτροδίων διαφορετικής ακτίνας καμπυλότητας, όταν αυτά βρίσκονται υπό την επίδραση διαφοράς δυναμικού μερικών kV. Η εκκένωση κορώνας συνοδεύεται από την εμφάνιση ηλεκτρικών, οπτικών, ακουστικών, χημικών, αεροδυναμικών (ηλεκτρικός άνεμος) και ραδιοηλεκτρικών φαινομένων. Ο ηλεκτρικός άνεμος είναι ένα φαινόμενο το οποίο δημιουργείται από τη μετάδοση της ορμής των ιόντων στα ουδέτερα μόρια του αερίου οπότε παρατηρείται μία κίνηση του αερίου από το ηλεκτρόδιο με μικρή ακτίνα καμπυλότητας, προς το άλλο ηλεκτρόδιο. Το κύριο αντικείμενο της εργασίας αυτής είναι η μελέτη του φαινομένου της θετικής κορώνας, μεταξύ μιας μη συμμετρικής διάταξης ηλεκτροδίων, στον ατμοσφαιρικό αέρα. Στην άνοδο τοποθετήθηκαν μια και δύο ακίδες της ίδιας ακτίνας καμπυλότητας ενώ χρησιμοποιήθηκαν τρεις διαφορετικές κάθοδοι. Οι πειραματικές μετρήσεις είχαν ως στόχο τον προσδιορισμό της χαρακτηριστικής του μέσου ρεύματος της εκκένωσης συναρτήσει της τάσης διακένου, των παλμών του ρεύματος για διάφορες τιμές της τάσης , τον προσδιορισμό της κατανομής και της χαρακτηριστικής της ταχύτητας του ηλεκτρικού ανέμου καθώς και της χαρακτηριστικής της θερμοκρασίας του ηλεκτρικού ανέμου. Πρέπει να αναφέρουμε ότι οι μετρήσεις πραγματοποιήθηκαν για συνεχή και παλμική τάση λειτουργίας. / In this thesis, the effect of the positive corona discharge was studied. Especially, electric and hydrodynamic phenomena (corona wind) were studied. By the term “corona discharge”, one generally refers to the ensemble of phenomena which occur in a gaseous medium in the vicinity of conductors of small radius of curvature, subjected to intense, but not disruptive, electric fields. The main part of this thesis is experimental procedures that were held between a non-symmetrical set-up of electrodes in atmospheric air in order to, initially define the V-I characteristics and study the current impulses for different voltage values. Furthermore, we studied the velocity distribution and velocity characteristics of corona wind. In the last part of this work the temperature characteristics are present. It is important to mention that the experimental measurements were carried out on continuous and pulsed voltage.

Pre-breakdown phenomena in transformer liquids have been extensively investigated. The published work can be broadly categorised into streamer and partial discharge (PD) studies, with the former focusing on physical nature and the latter being more relevant to industrial applications. Mineral oil, as the dominant candidate, has been used in power transformers for over a century. In the past decade, there has been an increasing interest in filling power transformers with alternative liquids, e.g. esters and gas-to-liquids (GTL) based oils. This work aims to correlate the PD and streamer characteristics of three transformer liquids under AC stress. The liquids include a conventional mineral oil (Gemini X), a GTL oil (Diala S4 ZX-I) and a synthetic ester (MIDEL 7131). A circuit arrangement in compliance with the IEC 60270 was used, which allowed PD measurements, wide-band current measurements and streamer shadowgraphs to be obtained simultaneously. To simulate the quasi-uniform electric fields in transformers, a plane-to-plane electrode system incorporating an adjustable needle protrusion (PNP) was employed. A needle-to-plane electrode system (NP), which is widely used in the field, was also employed to provide reference results. Based on the PD measurement results, the PD inception fields (PDIFs) of the three liquids were found to be independent of electrode geometry for the investigated tip radius. The PDIF of the synthetic ester is about 13% lower than that of the mineral oil or the GTL oil. Compared with the PD magnitude, the pulse repetition rate is more sensitive to liquid type. At the same voltage under both the NP and PNP configurations, the synthetic ester has the highest pulse repetition rate, followed by the GTL oil, and then the mineral oil. In divergent electric fields (provided by the NP electrode system), it was found that the streamers in the three liquids have a similar stopping length at the same voltage, even though the apparent charge readings are not the same. The correlations between PD and streamer characteristics indicated that the synthetic ester has the highest branching tendency, and has therefore the smallest stopping length per unit of apparent charge among the three liquids. In quasi-uniform electric fields (provided by the PNP electrode system), the streamer branching tendencies of the three liquids were largely suppressed. The change from a propagation-induced breakdown in divergent fields to an initiation-induced breakdown in quasi-uniform fields was explained. The correlations between PD and streamer characteristics revealed that the same apparent charge can indicate different levels of streamer development in the insulation, depending on the uniformity of the electric field. Overall, interpreting PD measurement results needs to take the electric field uniformity (PD location) as well as liquid type into consideration.