La modification de la structure des matériaux par Détente Instantanée Contrôlée (DIC), implique nécessairement un processus d'autovaporisation instantanée en conditions thermodynamiques extrêmes de surchauffe du liquide. Les divers processus DIC de modification de la structure par expansion contrôlée, d'extraction et de refroidissement instantané sont d'un intérêt particulier. Les conditions opératoires et les caractéristiques spécifiques du produit interagissent mutuellement pour aboutir au meilleur résultat, principalement en termes de texture. Les modifications des caractéristiques structurelles généralement traduites par des taux d'expansion du produit, dépendent donc des conditions opératoires et des propriétés thermiques et rhéologiques de la matière. De nombreuses études initiales ont montré l'intérêt de déterminer l'évolution des divers processus à travers un suivi et un enregistrement instantané des images, des températures et de la pression à l'échelle de 1000 unités par seconde ; il a ainsi été indispensable de mettre en opération une caméra ultra rapide à 1000 images / s, des capteurs de température et de pression à temps de réponse de l'ordre du ms, placés dans le réacteur et au sein du produit. Une analyse fondamentale a prouvé l'importance de la thermodynamique, du transfert et de la problématique d'expansion pendant le traitement. L'analyse des expériences est réalisée par la détermination des taux d'expansion, surfacique et volumique, de la durée du processus d'expansion proprement dite, de l'analyse des caractéristiques micro-structurelles par MEB, mais principalement par la détermination de la température de transition vitreuse, de la différence de température minimale et d'ébullition, et du taux d'échange de chaleur. Plusieurs produits ont été étudiés (fromage, tofu, pomme, pomme de terre, carotte et banane). Des essais préliminaires adéquats ont permis d'identifier les domaines de variation des paramètres opératoires et d'adopter la méthode des plans d'expériences rota tables à cinq niveaux pour quantifier les diverses réponses nécessaires.

Les torches à arcs plasma sont actuellement utilisées dans de nombreuses applications industrielles. Une technologie plasma triphasée à électrodes en graphite est en cours de développement au Centre PERSEE MINES ParisTech. Cette technologie diffère sensiblement des technologies à courant continu traditionnelles et vise à dépasser certaines limites des systèmes actuels en termes de robustesse, de coûts d'équipement et d'exploitation pour des applications liées à conversion et la valorisation de biomasse et déchets. Dans le but d'améliorer la compréhension des phénomènes physiques instationnaires intervenant dans les décharges triphasées, une étude menée en parallèle sur les plans théorique et expérimental a été conduite en conditions non réactives (azote et gaz de synthèse). Sur un plan expérimental cette étude s'est appuyée sur des analyses réalisées avec une caméra ultra rapide (100 000 images par seconde) et l'analyse des signaux électriques. Sur un plan théorique cette étude a consisté à développer un modèle Magnéto-Hydro-Dynamique (MHD) 3D instationnaire de la zone d'arc dans l'environnement du logiciel Code Saturne® et à effectuer une étude paramétrique basée sur le courant, la fréquence et le débit de gaz plasma. Deux configurations : électrodes coplanaires et parallèles ont été étudiées. Cette étude a permis de mettre en avant l'influence des phénomènes électromagnétiques et hydrodynamiques sur le déplacement de l'arc. Dans le cas coplanaire les jets aux électrodes semblent jouer un rôle prépondérant sur le mouvement des arcs, les transferts de chaleur dans l'espace inter électrode et l'amorçage des arcs. Dans le cas parallèle le mouvement des canaux chauds semble être le paramètre dominant. La confrontation des résultats théoriques et expérimentaux a montré un très bon accord à la fois au niveau du mouvement des arcs et des signaux électriques.

La modification de la structure des matériaux par Détente Instantanée Contrôlée (DIC), implique nécessairement un processus d’autovaporisation instantanée en conditions thermodynamiques extrêmes de surchauffe du liquide. Les divers processus DIC de modification de la structure par expansion contrôlée, d’extraction et de refroidissement instantané sont d’un intérêt particulier. Les conditions opératoires et les caractéristiques spécifiques du produit interagissent mutuellement pour aboutir au meilleur résultat, principalement en termes de texture. Les modifications des caractéristiques structurelles généralement traduites par des taux d’expansion du produit, dépendent donc des conditions opératoires et des propriétés thermiques et rhéologiques de la matière. De nombreuses études initiales ont montré l’intérêt de déterminer l’évolution des divers processus à travers un suivi et un enregistrement instantané des images, des températures et de la pression à l’échelle de 1000 unités par seconde ; il a ainsi été indispensable de mettre en opération une caméra ultra rapide à 1000 images / s, des capteurs de température et de pression à temps de réponse de l’ordre du ms, placés dans le réacteur et au sein du produit. Une analyse fondamentale a prouvé l’importance de la thermodynamique, du transfert et de la problématique d’expansion pendant le traitement. L’analyse des expériences est réalisée par la détermination des taux d’expansion, surfacique et volumique, de la durée du processus d’expansion proprement dite, de l’analyse des caractéristiques micro-structurelles par MEB, mais principalement par la détermination de la température de transition vitreuse, de la différence de température minimale et d’ébullition, et du taux d’échange de chaleur. Plusieurs produits ont été étudiés (fromage, tofu, pomme, pomme de terre, carotte et banane). Des essais préliminaires adéquats ont permis d’identifier les domaines de variation des paramètres opératoires et d’adopter la méthode des plans d’expériences rota tables à cinq niveaux pour quantifier les diverses réponses nécessaires. / The structural modification of materials by the process of instant controlled pressure drop (DIC), is mainly based on the instant autovaporization process in very far from thermodynamic equilibrium conditions. The structure modification process and the volume evolution strictly depend on DIC operational parameters and the product characteristics mutually interacting to achieve the objective in terms of texture.The change in the structural characteristics of the product is generally revealed through the expansion rates of the product ; it depends on the operating conditions. This study will use a snapshot taken by a high speed video camera 1000 fps, coupled with 1 ms response temperature and pressure sensors, placed in the treatment vessel and inside the product. A fundamental analysis has proved the importance of thermodynamics, the transfer and the specific problematic of expansion during treatment. Study was carried out by determining the3D expansion ratio, the 2D surface expansion ratio, and the volumetric expansion ratio, as well as the durations of expansion just after pressure drops, the analysis of SEM micro-structural characteristics, the different glass transition temperatures Tg, the differences between lowest product and reactor temperatures and boiling temperature, and the heat exchange rate. Various products were considered (cheese, tofu, apple, potato, carrot and banana). The preliminary tests with each have led us to identify the relevant operating parameter ranges. Different fundamental conclusions and industrial application could be thus defined.

L'objectif de ce travail est d'étudier expérimentalement la formation du capillaire durant le perçage et le soudage par faisceau laser, et de développer une simulation numérique permettant de reproduire la dynamique de formation et d'évolution du capillaire. Nous avons fait le choix d'utiliser comme matériau test le Zinc, en raison de ses propriétés thermodynamiques. Afin de simplifier le problème, nous avons étudié dans un premier temps le mécanisme de perçage. Deux méthodes expérimentales ont été utilisées pour caractériser l'évolution de la géométrie du capillaire : La méthode DODO (Direct Observation of Drilled hOle ) permet de visualiser le capillaire après perçage pour différentes durées et la méthode Zn-Quartz permet d'observer directement son évolution temporelle par camera rapide à travers une lame de quartz. Puis nous avons utilisé cette évolution pour mettre au point une simulation du mécanisme de perçage. Après avoir étudié le dépôt de puissance à l'intérieur d'un capillaire en tenant compte des réflexions multiples et estimé l'importance de la perte d'énergie et de matière lors du processus, nous avons développé une simulation en utilisant le logiciel Comsol Multiphysics couplant l'équation thermique, l'équation de Navier Stokes et prenant en compte le déplacement du métal fondu sous l'action de la pression de recul. Dans ce cas, on observe la formation d'un bourrelet important au bord du trou et une augmentation de la profondeur du capillaire. Ensuite nous avons étudié la formation du capillaire durant le soudage laser, c'est-à-dire avec déplacement de la source. A partir des techniques mises en œuvre pour l'étude du perçage nous avons obtenu l'évolution de la forme du capillaire dans le cas du soudage Zn/Quartz. Nous avons réalisé une simulation relativement simple en supposant la géométrie et la température du capillaire connues a priori. Nous avons constaté qu'un modèle simple, modélisant uniquement les transferts thermiques par conduction, permet de bien simuler la forme de la zone fondue pour les couples Zn/Zn et Zn-quartz.

L’objectif de ce travail est d'étudier expérimentalement la formation du capillaire durant le perçage et le soudage par faisceau laser, et de développer une simulation numérique permettant de reproduire la dynamique de formation et d'évolution du capillaire. Nous avons fait le choix d’utiliser comme matériau test le Zinc, en raison de ses propriétés thermodynamiques. Afin de simplifier le problème, nous avons étudié dans un premier temps le mécanisme de perçage. Deux méthodes expérimentales ont été utilisées pour caractériser l'évolution de la géométrie du capillaire : La méthode DODO (Direct Observation of Drilled hOle ) permet de visualiser le capillaire après perçage pour différentes durées et la méthode Zn-Quartz permet d’observer directement son évolution temporelle par camera rapide à travers une lame de quartz. Puis nous avons utilisé cette évolution pour mettre au point une simulation du mécanisme de perçage. Après avoir étudié le dépôt de puissance à l’intérieur d’un capillaire en tenant compte des réflexions multiples et estimé l'importance de la perte d'énergie et de matière lors du processus, nous avons développé une simulation en utilisant le logiciel Comsol Multiphysics couplant l'équation thermique, l'équation de Navier Stokes et prenant en compte le déplacement du métal fondu sous l’action de la pression de recul. Dans ce cas, on observe la formation d’un bourrelet important au bord du trou et une augmentation de la profondeur du capillaire. Ensuite nous avons étudié la formation du capillaire durant le soudage laser, c'est-à-dire avec déplacement de la source. A partir des techniques mises en œuvre pour l’étude du perçage nous avons obtenu l’évolution de la forme du capillaire dans le cas du soudage Zn/Quartz. Nous avons réalisé une simulation relativement simple en supposant la géométrie et la température du capillaire connues a priori. Nous avons constaté qu’un modèle simple, modélisant uniquement les transferts thermiques par conduction, permet de bien simuler la forme de la zone fondue pour les couples Zn/Zn et Zn-quartz. / The aim of the present work is to study experimentally the formation of the capillary during the drilling and welding by laser beam and to develop the numerical simulation which allows following the dynamics and the evolution of the keyhole. The zinc was chosen as a test material because its thermodynamical properties are well known. To simplify the problem, in the first place the drilling mechanism was studied. Two experimental methods were used to characterize the evolution of the keyhole: the Direct Observation of Drilled Hole method, which allows the visualization of the keyhole after the application of laser pulses of different durations, and Zn-Quartz method, which allows the direct observation of keyhole evolution with CCD camera through the layer of quartz. Then, the information on keyhole evolution was used to develop the simulation of drilling mechanism. After studying the beam power deposition inside the capillary with taking in account the multiple photon reflections, and after estimation of the energy and matter loss during the process, we developed the simulation with FEM software COMSOL Multiphysics, which contains coupled heat transfer, fluid flow and free surface problem allowing considering the effect of recoil pressure on liquid phase ejection. We could observe the formation of an important bolster surrounding the keyhole and the increase of keyhole depth with time. Next, we studied the formation of the keyhole during the laser welding, in other words, during the displacement of the heat source. Using the same technique that was developed for laser drilling, we have obtained the information on keyhole evolution during zinc-quartz welding. We have created the simple simulation, where keyhole temperature and profile were considered as known a priori. We have stated that this model, which takes in account only conduction heat transfer problem, allows to reproduce well the shape of the melted zone both for zinc-zinc and zinc-quartz couples

Les torches à arcs plasma sont actuellement utilisées dans de nombreuses applications industrielles. Une technologie plasma triphasée à électrodes en graphite est en cours de développement au Centre PERSEE MINES ParisTech. Cette technologie diffère sensiblement des technologies à courant continu traditionnelles et vise à dépasser certaines limites des systèmes actuels en termes de robustesse, de coûts d'équipement et d'exploitation pour des applications liées à conversion et la valorisation de biomasse et déchets. Dans le but d'améliorer la compréhension des phénomènes physiques instationnaires intervenant dans les décharges triphasées, une étude menée en parallèle sur les plans théorique et expérimental a été conduite en conditions non réactives (azote et gaz de synthèse). Sur un plan expérimental cette étude s'est appuyée sur des analyses réalisées avec une caméra ultra rapide (100 000 images par seconde) et l'analyse des signaux électriques. Sur un plan théorique cette étude a consisté à développer un modèle Magnéto-Hydro-Dynamique (MHD) 3D instationnaire de la zone d'arc dans l'environnement du logiciel Code Saturne® et à effectuer une étude paramétrique basée sur le courant, la fréquence et le débit de gaz plasma. Deux configurations : électrodes coplanaires et parallèles ont été étudiées. Cette étude a permis de mettre en avant l'influence des phénomènes électromagnétiques et hydrodynamiques sur le déplacement de l'arc. Dans le cas coplanaire les jets aux électrodes semblent jouer un rôle prépondérant sur le mouvement des arcs, les transferts de chaleur dans l'espace inter électrode et l'amorçage des arcs. Dans le cas parallèle le mouvement des canaux chauds semble être le paramètre dominant. La confrontation des résultats théoriques et expérimentaux a montré un très bon accord à la fois au niveau du mouvement des arcs et des signaux électriques. / Arc plasma torches are widely used in industrial applications. A 3-phase AC plasma technology with consumable graphite electrodes is under development at PERSEE MINES - ParisTech. This technology noticeably differs from the classical DC plasma torches and aims at overcoming a number of limits of plasma systems in terms of reliability, equipment and operating costs. In order to improve the understanding of the unsteady physical phenomena in such plasma systems, a theoretical and experimental study is conducted under non reactive condition (nitrogen, syngas). Experimental study is based on high speed video camera (100 000 frames per second) and electrical signal analyses. Theoretical analysis is based on 3D unsteady Magneto-Hydro-Dynamic (MHD) model of the arc zone using CFD software Code_Saturne®, by a parametric study based on current, frequency and plasma gas flow rate influence. Two configurations: coplanar and parallel electrodes are studied. These studies highlight the influence of electromagnetic and hydrodynamic phenomena on the arc motion. In coplanar electrode configuration, electrode jets appear to be the dominant parameter on the arc motion, heat transfer and arc ignition. In the parallel electrodes configuration, the motion of the hot channel seems to be the key parameter. Comparison between MHD modeling and experimental results shows a fair correlation, both in accordance with the arc behavior and the electrical waveform.

Les torches à arcs plasma sont actuellement utilisées dans de nombreuses applications industrielles pour atteindre des températures nettement supérieures (> 5 000 K) à celle obtenues par la combustion (3 000 K max). Une technologie plasma triphasée avec des électrodes en graphite est en cours de développement au Centre PERSEE MINES ParisTech. Cette technologie diffère sensiblement des technologies à courant continu traditionnelles et vise à dépasser certaines limites des systèmes actuels en termes de robustesse, de coûts d'équipement et d'exploitation pour des applications liées à la conversion et la valorisation de biomasse et déchets. Dans le but d'améliorer la compréhension des phénomènes physiques instationnaires intervenant dans les décharges triphasées, une étude menée en parallèle sur le plan théorique et sur le plan expérimental a été conduite en conditions non réactives (azote et gaz de synthèse). Sur un plan expérimental, cette étude s'est appuyée sur des analyses réalisées avec une caméra ultra rapide (100 000 images par seconde) et l'analyse des signaux électriques. Sur un plan théorique, cette étude a consisté à développer un modèle Magnéto-Hydro-Dynamique (MHD) 3D instationnaire de la zone d'arc dans l'environnement du logiciel Code Saturne® et à effectuer une étude paramétrique basée sur le courant, la fréquence et le débit de gaz plasma. Deux configurations : électrodes coplanaires et électrodes parallèles ont été étudiées. Cette étude a permis de mettre en évidence l'influence des phénomènes électromagnétiques et hydrodynamiques sur le déplacement de l'arc. Dans la configuration coplanaire, les jets aux électrodes semblent jouer un rôle prépondérant sur le mouvement des arcs, les transferts de chaleur dans l'espace inter-électrodes et l'amorçage des arcs. Dans la configuration parallèle, le mouvement des canaux chauds semble être le paramètre dominant. La confrontation des résultats théoriques et expérimentaux a montré un très bon accord à la fois au niveau du mouvement des arcs et des signaux électriques.