Les poussières de bois sont à l’origine de pathologies dont les plus graves sont des cancers des voies respiratoires supérieures. Compte tenu de la dangerosité avérée de ces poussières, un système de filtration très performant est nécessaire pour assainir les ambiances de travail. Couramment, l’industrie de bois utilise des filtres à média sujets à l’encrassement et produisant des déchets. Pour remédier à ceci nous avons choisi une épuration par électrofiltration, procédé sans déchet. Dans une première phase expérimentale nous avons étudié la performance d’un électrofiltre de géométrie fil-cylindre à encrassement contrôlé. Cet appareil conçu et mis au point au LERMAB a permis l’étude des paramètres tels que : la géométrie des électrodes, la tension appliquée, la granulométrie et la nature des particules. Nous avons pu montrer que l’électrofiltration était faisable et d’une efficacité pouvant atteindre 99,9%. Dans une deuxième phase nous avons développé un modèle numérique basé sur l’équation de convection-diffusion couplée aux équations de Navier-Stockes moyennées et au champ électrique local avec la prise en compte des effets électrohydrodynamiques. Ce modèle permet de décrire avec précision les phénomènes locaux et globaux d’un électrofiltre de type Cottrell. Ses prévisions sont en parfaite concordance avec les résultats expérimentaux et avec les données issues de la littérature. Il constitue un outil fiable pour le dimensionnement des électroprécipitateurs. / Wood dust causes a number of pathologies including cancers of the upper respiratory tract and allergic-type diseases. Considering the dangerousness of this dust, a filtration system high performance is required for the treatment of work environments. For this purpose, we have investigated the electrofiltration of wood particles-laden atmospheres. A dust-controlled wire-cylinder electrostatic precipitator has been created and developed at the LERMAB laboratory and a computer code has been developed using the software Comsol Multiphysics. The study of the filtration efficiency has been carried out. This efficiency is larger than 99.9% for the range of fine particles [0.3 µ m - 1 µ m]. The experimental study allows us to identify various parameters governing the electrofilter in operation. The numerical model, in perfect agreement with the experimental results and with the literature, allows to describe with a good precision local and global phenomena occurring in wire-cylinder electrostatic precipitator. It is a good tool for the design of electroprecipitators.

L’effet Biefeld-Brown, du nom de ses découvreurs dans les années 1920, désigne la force électrohydrodynamique (EHD) s’appliquant sur deux électrodes sous haute tension dans l’air. Si l’origine de cette force a pu faire l’objet de certaines spéculations, il est aujourd'hui admis qu’elle repose sur l’accélération par un fort champ électrique d’un volume d’air partiellement ionisé. Cet effet aussi appelé vent ionique intéresse diverses applications : contrôle actif d’écoulement, augmentation du transfert de chaleur par convection forcée, séchage de denrées alimentaires ou encore la propulsion. Cette thèse, présente une étude expérimentale, théorique et numérique du vent ionique dans une configuration modèle à deux électrodes parallèles. Le faible rendement du vent ionique l’a écarté des applications à la propulsion mais des expériences récentes menées en 2013 montrent qu’il permet d’atteindre un rapport poussée/puissance étonnement élevé. Nous montrons dans une première partie, à partir de mesures et de considérations aérodynamique générales que la poussée générée pourrait suffire à contrebalancer la force de traînée pour certains aéronefs ultra-légers. Ces mesures ont permis de quantifier la force EHD et sa dépendance avec la géométrie des électrodes. En outre, la meilleure configuration à deux collecteurs peut produire une poussée presque deux fois plus importante qu’une configuration avec un seul collecteur, à tension fixée. Ces premiers résultats ont été affinés dans un second temps par les mesures PIV qui ont permis la reconstruction de l’écoulement et du champ de force entre les électrodes. Les vitesses mesurées dépassent rarement 3 m/s, et la force volumique est de l’ordre de 10 N/m 3. L’origine physique de la configuration optimale à deux collecteurs a été éclaircie par la mise en évidence des structures de sillages et de leurs effets instationnaires. Par ailleurs, une analyse théorique générale de la force propulsive nous a permis de confirmer sa dépendance explicite avec le rapport courant sur mobilité ionique. Le courant étant directement lié à la physique de la décharge couronne, la seconde partie de la thèse s’est concentrée sur son analyse théorique et numérique. Une analyse asymptotique a ainsi permis de trouver une expression analytique du champ électrique critique et de la caractéristique courant-tension permettant de connaître l’influence de la densité du gaz et de sa composition sur le courant produit dans des électrodes concentriques. Cette approche asymptotique a été associée à une formulation de décomposition de domaine dans le cadre d’une discrétisation par éléments finis pour analyser des configurations plus générales. Une résolution itérative du système d’équations stationnaires non-linéaire couplées par méthode de Newton est proposée, testée et validée. Cette méthode peut être étendue à des géométries plus complexes, permettant ainsi d’obtenir une condition d’injection des charges prenant en compte la physique complexe de la décharge.

Le phénomène de filamentation laser apparaît spontanément dans un faisceau laser infra-rouge se propageant dans l'air si sa puissance crête excède quelques Gigawatts. À ce régime d'intensité le faisceau s'effondre sur lui même par effet Kerr et un équilibre dynamique s'installe entre la diffraction, l'effet Kerr et la défocalisation par l'air ionisé, permettant de maintenir une intensité très élevée dans le coeur du faisceau sur une très grande distance. Il donne alors naissance à une mince colonne de plasma dont la longueur peut atteindre des centaines de mètres. De nombreuses applications reposant sur l'utilisation de filaments laser générés à grande distance ont été proposées. Dans ce cas la propagation du faisceau peut être notablement affectée par les turbulences atmosphériques. Pour quantifier les effets de la turbulence sur la filamentation nous avons fait une étude expérimentale et numérique de l'influence de la turbulence de l'air sur la stabilité de pointé du faisceau filamenté et sur la distance de filamentation. Par ailleurs nous avons étudié les propriétés de la colonne de plasma dans le filament et plus particulièrement sa capacité à initier de puissants arcs électriques avec un minimum de pertes, dans l'optique d'applications telles que le captage de forts courants pour l'alimentation de trains rapides. Enfin, une étude complète de l'utilisation de filaments laser comme source de rayonnement Térahertz a été faite. Plusieurs mécanismes de génération de THz ont été mis à jour. Leurs propriétés spectrales et leur énergie permettent d'envisager le développement d'applications de spectroscopie à distance ou pour certains mécanismes, d'atteindre des régimes de physique non-linéaire dans le domaine THz.

Les micro-jets de plasma, se propageant dans un flux d'hélium entouré d'air libre, à pression atmosphérique et à température ambiante, ont attiré l'attention des chercheurs depuis une dizaine d'années. Ces micro-jets sont créés dans une décharge à barrière diélectrique alimentée par des impulsions de tension. Ils se propagent dans le flux d'hélium à l'extérieur de la DBD sous la forme d'une onde d'ionisation. Le plasma est confiné spatialement là où l'hélium est dominant, car l'ionisation de l'air nécessite un champ électrique plus important que celui présent dans le front d'ionisation. Leurs applications biomédicales sont prometteuses car ils permettent de produire des espèces réactives à quelques centimètres de distance de la DBD sans augmenter la température du gaz. Dans cette thèse, l'objectif a été de développer une meilleure compréhension de l'influence des conditions expérimentales et de la géométrie de la DBD sur les propriétés des jets de plasma. À ces fins, l'écoulement d'hélium a été étudié expérimentalement et numériquement, et des simulations sur la génération et la propagation du micro-jet de plasma ont été réalisées. / Microplasma jets propagating in a helium flow surrounded by air at ambient pressure and temperature have attracted the attention of many researchers over the past decade. These microplasma jets are ignited in a cylindrical dielectric barrier discharge (DBD) powered by impulse or sinusoidal voltage pulses with an amplitude of several kilovolts and then propagate as an ionization wave in the helium flow outside the DBD. The plasma so-generated is confined to the region where helium is the dominant species because ionization of the surrounding air requires a significantly higher electric field strength than is present at the ionization front in the plasma jet. The putative biomedical applications of microplasma jets are particularly promising because they provide a way of producing reactive oxygen and nitrogen species some centimeters downstream from the DBD without significant gas heating. The objective of the work reported in this thesis has been to develop a better understanding of the influence of the operating conditions and geometry on the properties of the plasma jets. To this end, experimental and numerical studies of the hydrodynamics of the helium flow and simulations of the generation and propagation of the microplasma jet have been carried out.

La formation de poussières carbonées dans les tokamaks pose actuellement un réel problème (pertes de combustibles liées à la sécurité, pertes énergétiques …). Afin de comprendre les mécanismes de formation de ces poudres (distribution en taille, distribution spatiale et transport) et donc de trouver une méthode pour limiter leur rôle, une étude expérimentale a été réalisée dans une décharge radiofréquence Ar/C2H2. Le plasma et des poudres carbonées ont été caractérisés par différentes techniques (spectroscopie optique d’émission, diffusion du rayonnement, FTIR in-situ, caméra rapide, MEB et FTIR ex-situ). La diffusion du rayonnement polychromatique (IR et UV-visible-proche IR) a été utilisée afin d’obtenir des informations sur la distribution spatiale des poudres et l’évolution de leur distribution en taille. Un modèle, basé sur la théorie de Mie et associé à une méthode de Monte Carlo, a été développé afin de reproduire les mesures de diffusion in-situ. La comparaison entre expériences et simulations numériques à ouvert de nouvelles voies en termes d'interprétation et d'analyse des données. Cette étude est un premier pas vers la détermination en temps réel de la taille et de la densité des poussières en couplant les mesures optiques avec un modèle numérique basé sur la théorie de Mie. / The formation of carbon dust in tokamaks raises currently several real problems (safety, energy losses ...). To understand the mechanisms of these powders’ formation (size distribution, spatial distribution and transportation) and then find out a way to limit their role, an experimental study was carried out in a radiofrequency discharge Ar/C2H2. The plasma and these carbon powders were characterized by different techniques (optical emission spectroscopy, scattering of radiation, in-situ FTIR, fast camera, SEM and ex-situ FTIR). The scattering of polychromatic radiation (IR and Ultra violet-visible-near infrared) was used to obtain some information about the powders’ spatial distribution and the evolution of their size distribution. A model, based on the Mie theory and associated with the method of Monte Carlo, was developed to reproduce the optical measurements in-situ. The comparison between experiments and numerical simulations provides new roads in terms of interpretation and analysis of their results. This study is the first step to determine in real-time the dust size and density by coupling the optical measurements with the numerical model based on the Mie theory.

Les trois grands domaines d'application de batteries au plomb sont les batteries de démarrage, les batteries de traction et les batteries stationnaires. Les évolutions des marchés, notamment celui de l'énergie, ouvrent de nouvelles applications de stockage par accumulateur au plomb: transports électriques, énergies renouvelables dont éolien et photovoltaïque, stockage réseau, qualité, secours. Dans la plupart des cas, les contraintes de l'application mènent à revoir profondément les algorithmes de charge. Nous avons mené différentes études sur les batteries au plomb dans des conditions extrêmes: charge rapide pour batteries ouvertes, maintien en charge pour batteries stationnaires, décharge profonde avec inversion de polarité. À partir de ces travaux, un nouvel algorithme de charge rapide avec une phase de déstratification précoce a été mis au point. De plus, une nouvelle méthode de maintien en charge par faible courant imposé a été testée sur différentes technologies de batteries au plomb. Elle montre plusieurs avantages en termes de réduction importante de la corrosion, de diminution de la perte d'eau due à la corrosion et de besoin de charges périodiques.

L'actionneur « plasma » consiste en une décharge électrique établie dans l'air à pression atmosphérique à la surface d'un isolant. L'apport de quantité de mouvement induit par ces plasmas froids de surface, dû à la migration des ions soumis à la force de Coulomb et appelé "vent ionique", est utilisé ici pour modifier l'état collé ou décollé d'un écoulement. <br />Le travail réalisé est divisé en deux parties. <br />L'objectif de la première partie est de développer l'actionneur afin d'obtenir une décharge stable et homogène à travers deux exemples : la décharge couronne et la décharge à barrière diélectrique (DBD). La décharge couronne est obtenue en appliquant une haute tension, AC ou DC, entre deux fils placés à l'intérieur de rainures dans l'isolant. Le champ électrique moyen est de 8 kV/cm, pour un courant moyen de 1,5 mA/m pour une puissance électrique moyenne de 75 W/cm2. La DBD est obtenue en appliquant une haute tension alternative (plusieurs kV avec une fréquence allant de 100 à quelque kHz) entre deux électrodes placées de part et d'autre de l'isolant. Les mesures de vent ionique ont montré pour ces deux décharges une vitesse de 3 m/s environ à 1 mm au-dessus de la paroi.<br />Dans une seconde partie nous avons testé les performances de l'actionneur pour le contrôle d'écoulements. Des essais préliminaires à faible vitesse (< 2 m/s) ont montré la possibilité de recoller un écoulement et de contrôler les structures crées en aval à l'aide d'une décharge pulsée. A plus haute vitesse (´ 30 m/s), nous avons contrôlé l'état collé ou décollé d'un écoulement dans le cas d'une couche de mélange plane et d'un jet à section rectangulaire. Nous avons alors observés des modifications sur les propriétés du développement aval de l'écoulement, comme par exemple l'épaisseur de couche de mélange ou de vectorisation du jet. Par ailleurs, ces derniers travaux semblent indiquer que l'actionneur est plus efficace pour le décollement que le recollement et lorsque l'actionneur utilisé est la DBD.

La Spectrométrie à Décharge Luminescente est couramment utilisée pour l'analyse spectrochimique des matériaux et est devenue un outil standard pour l'analyse de la composition en profondeur de matériaux multi-couches. Cette technique permet aussi la quantification en se basant sur le nombre de photons émis par atome pulvérisé et ne dépend que de Z, l'impédance de la décharge employée pour l'analyse. Cette approche est basée sur l'analyse des métaux, sans fondement théorique, et son extension vers l'analyse des matériaux non-conducteurs n'est pas validée. Pour une géométrie fixée, Z dépend essentiellement de la pression du gaz plasmagène et de γ, le taux d'émission d'électrons secondaires du matériau de la cathode. Ainsi, pour valider la quantification, il est nécessaire de connaître le γ des différents matériaux et d'établir un classement. Un " γeffectif " a été déterminé à partir des courbes de Paschen pour différents matériaux conducteurs et non-conducteurs. L'étude a montré que ce coefficient dépend sensiblement de l'état physico-chimique de la surface des électrodes, ces variations (jusqu'à 50%) rendent le résultat difficilement exploitable. En revanche, la détermination de la variation de Z avec la pression, a permis un classement des différents matériaux en fonction de leur γ : une forte Z correspond à un faible γ. De plus ces travaux ont montré qu'une variation de la pression du gaz plasmagène peut compenser l'effet de γ sur l'impédance de la décharge ce qui est primordial pour la procédure de quantification. Afin de valider le procédé, nous avons analysé une couche mince organo-metallique (LiPON) et ainsi montré que la quantification est applicable aux matériaux complexes en couche mince.

Le plasma hors-équilibre est l’un des outils les plus attrayants et prometteurs pour de nombreuses applications assistées par plasma. La production d’espèces actives (espèces excitées, radicaux, photons de hautes énergies couvrant les spectres UV et IR) est importante pour le contrôle des gaz polluants, le traitement de surface, les actionneurs de plasma en aérodynamique, certaines applications biomédicales et, plus récemment, en médecine du plasma. Pour des densités de gaz atmosphérique et élevée, les applications des plasmas non-thermiques sont essentiellement l’allumage des mélanges combustibles ou, soi-disant, l’Allumage Assistée par Plasma (AAP). Les Décharges à Barrière Diélectrique de Surface (DBDS), largement utilisées pour le contrôle de l’écoulement aérodynamique, ont été récemment suggérées comme déclencheur de la combustion distribué dans différents systèmes. La possibilité d’utiliser les DBDS, comme allumeurs à des pressions allant jusqu’à plusieurs dizaines de bar, a été démontrée au cours des 4-5 dernières années. Au début de la thèse, l’ensemble des données expérimentales sur la décharge et l’allumage des combustibles par DBDS était assez pauvre, et insuffisant pour une analyse détaillée. Par conséquent, l’étude expérimentale de la DBDS à des densités atmosphérique et élevée de gaz, ainsi que l’étude du déclenchement de la flamme par DBDS nanoseconde (DBDSn) ont fait l’objet de cette thèse. Les résultats de la thèse sont présentés en trois parties. Dans la première partie, la DBDSn en mode mono-pulse est étudiée. Pour cela, l’analyse du dépôt d’énergie, du courant de la décharge, de la distribution de l’intensité et de la libération d’énergie qui en découle est effectuée. Les impulsions à polarités positive et négative sont utilisées pour générer la décharge surfacique, et la physique des streamers à polarités positive et négative y est discutée. Pour les deux polarités, la densité électronique et le champ électrique réduit sont estimés puis comparés avec des calculs et/ou des résultats obtenus par modélisation 2D. La deuxième partie est consacrée à l’étude des DBDSn à pression élevée (jusqu’à 12 bar) dans différents mélanges de gaz : N2, air, N2:CH4, N2:H2, Ar:O2, etc. Deux aspects morphologiquement différents de la DBDSn sont considérés : une DBD streamer « classique » à des pressions et tensions relativement basses, et une DBD filamentaire à des pressions et/ou tensions élevées. Les données quantitatives sur la décharge à haute pression (de 1 à 12 bar) sont obtenues par spectroscopie d’émission. Une description possible de la nature de cette filamentation est donnée. Enfin, la troisième partie présente les expériences d’allumage assistée par plasma utilisant des DBDSn à haute pression. Les morphologies de la décharge dans les mélanges combustibles pauvres (H2:air) et de l’allumage engendré sont étudiées. Puis, la comparaison entre allumage par décharge filamentaire et par streamer à la pression 1-6 bar est effectuée. Les données expérimentales sont analysées grâce à une modélisation de la cinétique de l’allumage assisté par plasma dans des champs électriques typiques des DBDSn (E/N = 100 Td). Une étude complexe des décharges à pression atmosphérique, à haute pression et de l’allumage permet d’obtenir une description détaillée de l’allumage à haute pression, distribué dans l’espace par le plasma hors-équilibre. / Non–equilibrium plasma is one of the most attractive and promising tool for many plasma–assisted applications. Production of active species (excited species, radicals, high energetic photons covering UV and IR spectral range) is important for gas pollution control, surface treatment, plasma actuators for aerodynamics application, biomedical applications and more recently the field of plasma medicine. For atmospheric and elevated gas densities the mainstream of the non–thermal plasma applications is the ignition of combustible mixtures or so–called Plasma–Assisted Ignition (PAI). Surface dielectric barrier discharges (SDBD), widely used for aerodynamic flow control, were recently suggested as distributed initiators of combustion in different systems. A principal possibility of using the SDBD ignitors at as high pressure as tens of bars has been demonstrated during the last 4-5 years. At the moment of the beginning of the thesis, the set of experimental data on the discharge and of ignition of fuels with SDBD was quite poor and insufficient for detailed analysis. Therefore, the experimental study of the surface DBD at atmospheric and elevated gas densities and the study of flame initiation with nanosecond SDBD were the object of the presented thesis. The results in the Thesis are presented in three parts. In the first part the nSDBD in a single shot regime at atmospheric air is investigated. The analysis of energy deposition, discharge current, intensity distribution and consequent energy release is performed. The positive and negative polarity pulses are used to produce surface discharge. The physics of anode and cathode–directed streamers is discussed. For both polarities of the applied pulses the electron density and reduced electric field are estimated and compared with calculations and/or 2D modeling results. The second part is devoted to the study of nSDBD at elevated pressures, up to 12 bar, in different gas mixtures ( N2, air, N2:CH4, N2:H2, Ar:O2, etc.). Two morphologically different forms of the nSDBD are considered: a “classical” streamer DBD at relatively low pressures and voltages, and a filamentary DBD at high pressures and/or voltages. The emission spectroscopy is used to obtain quantitative data about the discharge at high pressures (1-12 bar). The possible nature of the discharge filamentation is described. Finally, the third part describes the experiments of plasma–assisted ignition with nanosecond SDBD at elevated pressures. The discharge morphology in lean combustible ( H2:air) mixtures and following ignition of the mixtures are studied. The comparison of ignition by filamentary and streamer discharge at the pressures 1-6 bar is performed. Kinetic modeling of plasma assisted ignition for the electric fields typical for nSDBD, E/N = 100 − 200 Td is used for analysis of experimental data. Complex study of the discharges at atmospheric pressure, discharge at high pressures and ignition allow detailed description of the high-pressure distributed in space ignition by non--equilibrium plasma.

Des travaux récents ont montré que la Décharge de Townsend à la Pression Atmosphérique (DTPA) est compatible avec les procédés de traitement en ligne de matériaux comme, par exemple, l'activation de surfaces polymères ou le dépôt de couches minces. Néanmoins, les conditions d'obtention de cette décharge contrôlée par barrière diélectrique sont encore limitées pour développer un procédé industriel, ce qui se traduit par une puissance trop faible et donc des temps de traitement trop longs pour des applications industrielles à grande échelle. Ainsi, l'objectif de ce travail est d'améliorer la compréhension de la physique de la DTPA afin de définir en particulier l'origine des différentes causes de sa déstabilisation qui limite la puissance transmise à la décharge. Pour cela, la démarche adoptée consiste en une étude fine du couplage entre le générateur et la décharge, par le biais d'une modélisation électrique de type circuit de l'alimentation électrique et de la DTPA basée sur des observations expérimentales. Le modèle électrique de la DTPA permet d'avoir une vision macroscopique de la décharge. Nous avons pu mettre en évidence l'importance de la variation de l'émission secondaire durant la décharge, ainsi que le rôle de l'effet mémoire d'une décharge à la suivante et celui de l'élévation de la température du gaz, déterminée par un thermocouple et par des mesures de température rotationnelle. Il apparaît que l'élévation de la température du gaz est proportionnelle à la puissance moyenne, y compris pendant les transitoires. Nous avons ainsi mis au point un modèle qui décrit le comportement électrique de la décharge sur toute sa plage de fonctionnement. Le couplage de ce modèle avec celui de l'alimentation montre qu'une cause de déstabilisation de la DTPA est liée à des oscillations dues aux éléments parasites de l'alimentation. Ainsi, l'étude du couplage entre l'alimentation et la décharge a permis de définir deux solutions permettant d'augmenter la puissance transmise. La première consiste à éviter l'apparition d'oscillations en diminuant le rapport de la capacité du diélectrique solide qui évite la transition à l'arc sur la capacité du gaz. La seconde, étudiée uniquement en simulation, est basée sur l'utilisation d'une source de courant de type commutateur de courant afin de maintenir un courant constant durant la décharge et d'accroître la durée d'allumage de la décharge.