L’un des défis majeurs pour la conception des capsules de rentrée concerne la modélisation des transferts convectifs et radiatifs à la surface du véhicule. A certains points des trajectoires de rentrée super-orbitale, jusqu’à 40% du flux radiatif total émane du domaine spectral VUV (vacuum ultraviolet), or c’est dans ce domaine que les incertitudes sont les plus fortes. Ce haut niveau d’incertitudes est dû en particulier à un manque de données expérimentales fiables. Le rayonnement VUV est en effet difficile à mesurer en raison de la forte absorption de l’air et des optiques utilisées pour sa mesure. Des difficultés d’analyse supplémentaires sont causées par le fort degré d’auto-absorption et par l’élargissement spectral des raies dans le VUV. L’objectif central de cette étude était d’obtenir des spectres d’émission expérimentaux calibrés dans le VUV afin d’étudier les processus physico-chimiques dans la couche de choc qui contrôlent le flux radiatif. Plus précisément, les objectifs étaient de comparer les spectres observés parallèlement et perpendiculairement à la couche de choc, d’étudier les effets sur l’intensité des raies spectrales émises dans le VUV de l’auto-absorption et de l’élargissement spectral en fonction de la profondeur de champ radiatif (épaisseur optique). Les mesures effectuées perpendiculairement et parallèlement à la surface d’une maquette placée dans l’écoulement représentent un premier jeu de données expérimentales calibrées dans le VUV qui seront utiles pour valider les codes de calcul destinés à prédire le flux radiatif incident. Les mesures obtenues pour différentes profondeurs de champ radiatif représentent quant à elles un ensemble de données expérimentales uniques pour la validation des modèles de transport radiatif et des coefficients d’élargissement des raies. Cette étude s’appuie également sur des simulations numériques afin d’évaluer les prédictions d’un solveur d’écoulement couplé à deux schémas cinétiques à travers la comparaison des spectres mesurés avec les spectres simulés par le code radiatif Specair. Pour atteindre ces objectifs, un banc optique a été conçu et mis en place pour mesurer l’intensité du rayonnement VUV produit autour d’une maquette bidimensionnelle émoussée, avec une résolution spatiale suffisante pour résoudre le profil d’émission dans la couche de choc. La résolution spatiale a été choisie de façon à pouvoir effectuer des mesures du rayonnement dans les zones d’équilibre et hors équilibre de la couche de choc. Un deuxième système a été conçu pour obtenir des mesures du rayonnement VUV incident sur la surface de la maquette. Ce système est constitué d’un hublot placé sur la surface de la maquette et d’un miroir logé à l’intérieur de la maquette pour transmettre le rayonnement vers le système de détection. La profondeur du champ radiatif peut être variée en modifiant la longueur de la maquette, ce qui change l’épaisseur de la couche de choc observée. Le tunnel à détente X2 a été utilisé pour créer les écoulements à haute enthalpie nécessaires pour produire les couches de choc émissives. Deux conditions d’écoulement ont été générées pour cette étude de façon à reproduire des vitesses équivalentes de vol de 10 et 12.2 km/s. Le système spectroscopique utilisé pour ces études comprend un spectromètre McPherson NOVA 225 sous vide couplé à une caméra ICCD Andor iStar de réponse renforcée dans le VUV. Un tube optique scellé par une fenêtre en fluorine a été installé pour prolonger le trajet optique sous vide jusqu’à la maquette de façon à éliminer l’absorption par l’oxygène moléculaire. Le système spectroscopique a été calibré in situ avec une lampe à deutérium placée à l’endroit de la couche de choc rayonnante. L’intensité spectrale incidente sur la surface de la maquette, intégrée entre 115 et 180 nm, est de 0,744 W/cm²sr pour une vitesse d’écoulement de 10 km/s et 12,3 W/cm²sr à 12.2 km/s. [...] / A major design challenge for re-entry capsules lies in the modelling of convective and radiative heat transfer to the surface of the vehicle. At certain points on superorbital re-entry trajectories, up to 40% of the total radiative heat flux is contributed by the vacuum ultra-violet (VUV) spectral range and it is in this spectral range that the largest uncertainties lie. The high level of uncertainty in the VUV is a result of a lack of published experimental data due to difficulties encountered in measuring radiation in the VUV, such as strong absorption by most optical materials and air. Additional complexities of the VUV spectral range include its strongly self-absorbing nature and spectral line broadening. The primary goal of this study was to obtain calibrated spectral measurements in the VUV that enable the investigation of physical processes occurring in the shock layer that influence the incident radiative heat flux. In particular, the issues to be investigated were the variation in spectral radiance observed across a shock layer compared to the spectral radiance measured through the surface, the effects of self-absorption on spectral line intensity and the broadening of spectral lines in the VUV as a function of depth of radiating flow field. The measurements made across and through the surface of a model provide the first set of calibrated experimental results for the validation of computational codes used to predict incident radiative heat flux. Measurements made with a varying depth of radiating flow field provide a unique set of experimental data for the validation of radiation transport models and broadening coefficients. This study also used computational simulations to investigate the accuracy of a flow field solver coupled with two reaction rate schemes and compared the spectra produced using Specair with experimentally measured values. To achieve these goals, an optical system was designed to measure the VUV radiative emission produced around a blunt two-dimensional model in a spatially resolved manner across the shock layer. Spatial resolution allowed for spectral measurements to be made in both the equilibrium and non-equilibrium parts of the shock layer. A second optical system was designed to obtain measurements of VUV radiation incident on the surface of the model. This system incorporated a window in the surface with a mirror housed within the model to deflect the radiation out of the test section and into the detection system. To effectively vary the depth of the radiating flow field, the length of a two-dimensional model was varied, changing the depth of the shock layer being observed. The X2 expansion tube was used to create the high enthalpy flows required to produce radiating shock layers. Two flow conditions were created for this study that represented flight equivalent velocities of 10.0 km/s and 12.2 km/s. The spectroscopy system utilized for this study consisted of an evacuated McPherson NOVA 225 spectrometer coupled to an Andor iStar VUV enhanced intensified charge coupled device. An evacuated light tube sealed with a magnesium fluoride window was required to extend the evacuated light path to the model and avoid any absorption by molecular oxygen. An in-situ calibration of the VUV spectroscopy system was conducted using a deuterium lamp located in the position of the radiating shock layer. The integrated incident spectral radiance measured through the surface of the model between 115 nm and 180 nm was 0.744 W/cm2 sr for the 10.0 km/s condition and 12.3 W/cm2sr for the faster 12.2km/s condition. [...]

Dans la littérature, peu d’études traitent de l’utilisation de l’eau dans un plasma car elle a tendance à les déstabiliser. Pourtant, l’eau possède un haut potentiel de réactivité et est une voie plus verte pour générer des OH. Nous avons donc mené une étude de la réactivité de l’eau dans différents types de plasmas en utilisant plusieurs approches. Notre objectif est de mettre en évidence les différences entre, d’une part, un traitement dans la décharge grâce à l’utilisation d’une décharge à barrière diélectrique et, d’autre part, un traitement en post-décharge grâce à l’utilisation d’une torche radiofréquencée. Dans le premier cas, l’eau est injectée entre les électrodes tandis que dans le second, elle est envoyée dans la post-décharge. Dans les deux situations, nous utilisons l’argon comme gaz plasmagène et travaillons à pression atmosphérique. Ces deux types de plasma sont analysés au niveau de la phase gazeuse et sont utilisés pour modifier un polymère. L’étude de phase gazeuse est réalisée par spectroscopie d’émission optique pour déterminer les espèces émissives présentes dans le plasma, ainsi que par spectrométrie de masse pour la torche. Nous avons pu déterminer les réactions induisant la production et la consommation d’espèces telles que l’Ar, l’O, l’OH, l’H et le N2. Une étude électrique a également été menée sur les deux plasmas. Dans le cas de la torche, c’est une mesure indirecte qui est réalisée grâce à la mesure du courant d’ions dans la post-décharge. Dans le cas de la DBD, différentes analyses ont été effectuées. Premièrement, nous avons déterminé la puissance injectée grâce à l’utilisation des courbes de Lissajous. Ensuite, des mesures de tension et du courant ont été menées pour deux puissances différentes à 10 W et 80 W. Dans les deux cas, une diminution du courant a pu être observée. Nous suggérons que cette diminution soit liée à la consommation des métastables qui, pour la torche, entraine une diminution de production de Ar2+ (responsable du courant d’ions mesuré) et pour la DBD, empêche la production d’électrons. De plus, pour la DBD, cette diminution de courant n’est pas uniquement due à la consommation de métastables mais également à la capacité de l’eau à capter les électrons. Nous avons également observé l’évolution du nombre de filaments en fonction de la puissance et de la quantité d’eau injectée. C’est une augmentation du nombre de filaments qui a été observée et été reliée aux propriétés électriques du plasma.En parallèle, nous avons utilisé ces plasmas afin de modifier un polymère. Nous avons choisi le LDPE comme substrat car, n’étant composé que de carbone et d’hydrogène, il facilite le suivi du greffage de l’oxygène. Le LDPE traité par les différents plasmas, à savoir la torche RF, la DBD à 10 W et la DBD à 80 W a été caractérisé par différentes techniques d’analyse de la surface. Cela nous a permis d’observer, suite au traitement contenant de l’eau, l’évolution de la mouillabilité (WCA), de la composition chimique de la surface (XPS et ToF-SIMS), de la rugosité (AFM), du changement de masse du film ou encore de la réticulation (ToF-SIMS). De plus, une étude dans la profondeur du film a aussi été menée (XPS et ToF-SIMS) dans le but d’observer la diffusion de l’oxygène et du deutérium dans le substrat.Nous avons pu déterminer les espèces interagissant avec la surface du LDPE. En fonction du type de plasma, des mécanismes différents de greffage ont été envisagés. Dans tous les cas, un greffage d’oxygène a été observé et associé à la présence de radicaux OH. Pour ce qui est de la torche et de la DBD 80 W, un décapage a également pu être observé. Dans le cas de la torche, ce décapage est associé à l’effet combiné de l’oxygène atomique et des UV. Pour la DBD, en raison du grand courant mesuré et de la grande puissance injectée, nous supposons l’effet combiné des argons métastables et des électrons induisant un changement important de la rugosité. Grâce à l’équation de Wenzel, nous avons également corrélé les mesures XPS, WCA et AFM. Cependant, pour de longs temps de traitement par DBD à 80 W, l’augmentation de la rugosité est tellement importante que le modèle de Wenzel n’est plus d’application ;le modèle de Cassie-Baxter semble dans ce cas plus adéquat pour comprendre le comportement de la surface du LDPE.Cette thèse a donc permis de déterminer les espèces générées lorsque de l’eau est présente dans le plasma, mais également d’observer leurs effets sur la modification de la surface du LDPE. / Doctorat en Sciences / info:eu-repo/semantics/nonPublished

La mise en œuvre de missions spatiales demande à développer de nombreuses technologies clés afin de surmonter certaines étapes cruciales. L’une d’entre elle concerne la rentrée atmosphérique : lorsque le véhicule pénètre dans la couche d’atmosphère, sa vitesse relative très grande par rapport au sol va engendrer des frottements importants ainsi qu’une augmentation de pression. L’énergie cinétique de l’objet va donc être transformée en énergie thermique et chauffer le gaz en formant une onde de choc. Les températures dépendent de la vitesse initiale, de la composition de l’atmosphère et de sa pression. Le gaz ainsi chauffé va s’ioniser et devenir un plasma, il va donc transférer sa chaleur au corps de la sonde non seulement par convection mais aussi par rayonnement. Afin de se protéger, le véhicule dispose d’un bouclier thermique pouvant résister aux phénomènes extrêmes rencontrés lors de la descente. Les contraintes supplémentaires vont imposer une géométrie particulière et un lourd bouclier. Ainsi l’objectif est d’avoir les protections les plus légères et efficaces possibles afin de permettre à la sonde de maximiser son emport en équipement scientifique. Pour cela, un des paramètres clés est de connaître le comportement et le rayonnement du plasma produit lors de la rentrée dans l’atmosphère. Cette thèse se positionne dans ce domaine d’étude: les expériences montées et réalisées ont pour objectif d’observer par moyens spectroscopiques un plasma correspondant à celui rencontré par les sondes spatiales. / Many key technologies, to overcome some crucial steps, are needed for space missions. One of them concerns the re-entry: when the vehicle enters the atmosphere layer, its high velocity relative to the ground will generate significant friction and an increase in pressure. The kinetic energy of the object will be converted into heat energy and heat the gas forming a shock wave. Temperatures depend on the initial velocity, the atmosphere composition and its pressure. The gas is ionized and become plasma, it will therefore transfer its heat to the body of the probe not only by convection but also by radiation. To protect itself, the vehicle has a heat shield that can withstand extreme phenomena encountered during the descent. Additional constraints will impose a particular geometry and a heavy shield. So the goal is to have the lightest possible and effective protections to allow the probe to maximize its payload. For this, one of the key parameters is to know the behavior of the plasma and radiation produced during re-entry into the atmosphere. This thesis is positioned in this area of ​​study: experiments to create a re-entry plasma are intended to be observed by a spectrometer.

Parmi les torches à plasma microonde, la torche à injection axiale (TIA) est utilisée depuis de nombreuses années pour créer des espèces chimiquement actives dans des applications comme l'analyse de gaz, les traitements de surface et les traitements d'effluents gazeux. Notre étude porte sur l'énergie transférée par le plasma créé par cette torche à pression atmosphérique, qui trouve son intérêt notamment dans le chauffage de l'hélium pour la montée en altitude d'un ballon dirigeable. La TIA permet de coupler de l'énergie microonde (2.45 GHz) à un gaz injecté axialement à la sortie d'une buse. La TIA donne lieu à un plasma hors équilibre thermodynamique formé d'un dard de forte luminosité, avec une densité maximale de particules chargées à la sortie de la buse. Notre étude porte sur l'expérience et la modélisation de cette torche pour comprendre la répartition du champ électromagnétique, l'écoulement du système gaz/plasma et le transfert de chaleur du plasma au gaz.Des mesures par spectroscopie optique d'émission dans l'argon et l'hélium ont permis de trouver les températures du gaz (1500 K vs 3000 K) en fonction des conditions expérimentales (débit, puissance). Elles ont été estimées en ajustant les spectres ro-vibrationnels de N2 obtenus à ceux issus du logiciel SPECAIR. La mesure de la densité électronique (de l'ordre de quelques 10^14 cm^-3) a été réalisée dans un plasma d'hélium par élargissement Stark de la raie Hβ. Ces mesures ont un double objectif : obtenir des données d'entrée au modèle et valider ses résultats.La modélisation se partage en deux modules réalisés avec le logiciel COMSOL Multiphysics: (i) un module électromagnétique 3D qui résout les équations de Maxwell, (ii) un module hydrodynamique 2D qui résout les équations de Navier-Stokes pour le système gaz/plasma en prenant en compte les ions. Un module plasma, en cours de développement, résoudra les équations fluides pour les électrons et les ions du plasma.Cette modélisation réussit à prédire des températures similaires à celles obtenues expérimentalement et a permis de montrer l'influence du plasma sur l'écoulement et la température du gaz ainsi que l'efficacité du transfert de chaleur du plasma au gaz. / Among the microwave plasma torches, the axial injection torch (TIA) has been used for several years to create chemically active species, in applications such as gas analysis, surface processing and gaseous waste treatments. Our study concerns the energy transferred from the plasma created by the torch at atmospheric pressure, which finds its interest in particular in the heating of helium in a dirigible balloon to achieve its rise in altitude. The TIA allows the coupling of microwave energy (2.45 GHz) with a gas injected axially at the nozzle's exit. The TIA produces a non equilibrium plasma with a high luminosity and a maximum density of charged particles at the nozzle's exit. Our study involves both experiment and modelling of this torch in order to understand the distribution of the electromagnetic field, the flow of gas / plasma system and the plasma-to-gas heat transfer.Measurements by optical emission spectroscopy in argon and helium allowed to determine the gas temperature (1500K vs 3000 K) based on experimental conditions (flow, power). They were estimated by fitting the N2 ro-vibrational spectra obtained from air, using the SPECAIR software. The measurement of electron density (of about a few 10^14 cm^-3) was performed in a helium plasma by Stark broadening of the Hβ. Experiments have a double objective : to obtain input data for the model and to validate its results. Modelling uses two modules of the COMSOL Multiphysics software: (i) a 3D electromagnetic module, which solves Maxwell's equations, (ii) a 2D hydrodynamic module, which solves the Navier-Stokes equations for the gas / plasma system taking into account the ions. A plasma module, which solves the fluid equations for electrons and ions is in development This modelling succeeded in predicting temperatures similar to those obtained experimentally and showed the influence of plasma upon flow and the gas temperature and the efficiency of heat transfer from the plasma to the gas.

Le projet de la thèse a consisté au développement et à l’évaluation des performances d’une mousse syntactique phénolique pour la réalisation d’un système sandwich multicouche (cœur/peau en matériau composite). Il permet d’assurer la protection thermique, mécanique et au feu en particulier contre l’impact d’un feu torche. Un feu torche peut survenir sur un site pétrochimique suite à l’inflammation d’une fuite de fluides inflammables sous pression pouvant être très dévastateur par son effet abrasif et le flux convectif et radiatif intense. Le travail s’est essentiellement axé sur l’étude de l’efficacité de la mousse syntactique phénolique à partir d’une analyse de la relation microstructure-propriété. Les exigences de mise en œuvre ont imposé une maîtrise de la formulation par une bonne compréhension de la réactivité de la résine, notamment par rapport aux différentes transformations physiques (gélification, vitrification) qui ont lieu pendant le processus de réticulation. Il s’agit alors d’optimiser le dosage des différents composés actifs et additifs vis-à-vis des contraintes de mise en œuvre afin de parvenir à des propriétés optimales du matériau final. L’efficacité de ce dernier dans les conditions normales d’utilisation a été déterminée par une phase d’expérimentation complète sur ses propriétés mécaniques, thermiques et thermomécaniques. Des tests au feu ont permis d’étudier son comportement au feu afin de vérifier ses propriétés protectrices sous l’impact d’une flamme issue d’un feu torche. Enfin, un essai instrumenté capable de reproduire en condition réelle une fuite de gaz de propane à haute pression a été mis au point pour évaluer la performance au feu torche d’un prototype industriel complet. En parallèle, un modèle numérique simplifié a été proposé afin de simuler l’impact d’un tel feu. / This work consisted in the development and the evaluation of a phenolic syntactic foam performance for the production of a multilayer sandwich system (core/skin in composite material). It ensures thermal, mechanical and fire protection, in particular against the impact of a jet fire. A jet fire can occur on a petrochemical site resulting from the combustion of a fuel continuously released under pressure. It can be very devastating for its abrasive effect and intense convective and radiative flux. The work focuses mainly on the study of the effectiveness of the phenolic syntactic foam through the analysis of the relationship microstructure-propriety. The manufacturing process requirements imposed to control the elaboration via a good understanding of the reactivity of the resin, especially in relation to various physical transformations (gelation, vitrification) that take place during the curing mechanisms. That involves optimizing the proportions of the various active compounds and additives depending on the working conditions in order to achieve optimal properties of the final material. The effectiveness of this final material under normal conditions of use was determined by a complete testing phase on its mechanical, thermal and thermomechanical properties. Fire tests were also conducted to investigate the material burning behavior to ensure its protective properties under a jet flame impact. Finally, a large-scale instrumented test, reproducing in real conditions a propane gas leak at high pressure, was developed to evaluate the resistance to a jet fire of a complete industrial prototype. In parallel, a simplified numerical model was also proposed to simulate the impact of such a fire.

Au cours de la dernière décennie, la technologie de projection à la torche à plasmasous très faible pression (VLPPS) (inférieure à 10 mbar) a attiré l'attention denombreux chercheurs car ce procédé permet d'envisager la possibilité de réaliser desdépôts de structure voisine de celle des dépôts en phase vapeur avec une cinétiqueproche de celle de la projection thermique classique. Cette technologie vise donc àévaporer totalement ou partiellement des poudres afin de déposer des revêtementsdenses avec une structure colonnaire ou mixte.Le travail effectué dans cette étude à consisté à étudier et à développer des moyenspour assurer la fusion et l'évaporation de matériaux céramiques en vue d'élaborer desrevêtements de haute qualité et à caractériser les propriétés de ces revêtements.Dans une première approche des dépôts denses et homogènes de zircone stabilisée àl'yttrine (YSZ) ont été obtenus sur un substrat " inox " en utilisant des torches àplasma " classiques " de type F100 et F4 sous très faible pression (1 mbar) en utilisantde façon originale un principe d'injection axiale via l'alimentation en gazplasmagènes. Un spectromètre d'émission optique a été utilisé pour analyser lespropriétés du jet de plasma et notamment apprécier le taux d'évaporation du matériau.La composition et la microstructure des dépôts ont été caractérisées par diffraction desrayons X et microscopie électronique à balayage. Les résultats ont montré que lapoudre YSZ a été partiellement évaporée et que les dépôts obtenus disposent d'unemicrostructure hybride composée de " splats " formés par des particules fondues etune " matrice " (en faible quantité) résultant de la condensation de vapeurs provenantde l'évaporation des particules surchauffées.Afin de tenter d'augmenter le taux de vaporisation, l'anode de la torche F100 a étéallongée et un dispositif d'arc transféré complémentaire a été réalisé afin d'éleverl'énergie du jet de plasma et de favoriser l'échange thermique. Les effets de cedispositif sur les propriétés du jet de plasma ont été évalués par spectrométried'émission optique et calcul de la température électronique. Des dépôts de YSZ etd'alumine (Al2O3) ont été élaborés à la pression de 1 mbar. Les dépôts de YSZ ontaffiché une microstructure hybride similaire à celle obtenue précédemment alors quepour les dépôts d'alumine, seul un dépôt lamellaire " classique " a été observé. Lacapacité d'évaporation est donc restée limitée. La microstructure, les propriétésmécaniques et les propriétés de résistance aux chocs thermiques des dépôts de YSZont été étudiées plus en détail et comparées avec celle de dépôts réalisés dans desconditions plus classiques. Une tenue améliorée en termes de résistance aux cyclagesthermiques a notamment été observée.Afin de répondre aux attentes en matière de niveau de densité de puissance du jet lelaboratoire s'est équipé d'une une nouvelle torche à plasma tri-cathode expérimentaleélaborée par la société AMT. Cette torche a été modélisée et testée dans un premiertemps en conditions atmosphériques, révélant une limitation importante du rendementde projection. A partir de ces premiers résultats expérimentaux une nouvellegéométrie de buse a été proposée afin d'améliorer le rendement de projection. Il aalors été constaté que le rendement de la projection avait été considérablementaugmenté par cette modification et que la microstructure du dépôt était également plusfavorable. Ce travail devra maintenant se poursuivre par l'intégration de cette torche dans l'enceinte sous pression réduite.

Parmi les torches à plasma microonde, la torche à injection axiale (TIA) est utilisée depuis de nombreuses années pour créer des espèces chimiquement actives dans des applications comme l'analyse de gaz, les traitements de surface et les traitements d'effluents gazeux. Notre étude porte sur l'énergie transférée par le plasma créé par cette torche à pression atmosphérique, qui trouve son intérêt notamment dans le chauffage de l'hélium pour la montée en altitude d'un ballon dirigeable. La TIA permet de coupler de l'énergie microonde (2.45 GHz) à un gaz injecté axialement à la sortie d'une buse. La TIA donne lieu à un plasma hors équilibre thermodynamique formé d'un dard de forte luminosité, avec une densité maximale de particules chargées à la sortie de la buse. Notre étude porte sur l'expérience et la modélisation de cette torche pour comprendre la répartition du champ électromagnétique, l'écoulement du système gaz/plasma et le transfert de chaleur du plasma au gaz.Des mesures par spectroscopie optique d'émission dans l'argon et l'hélium ont permis de trouver les températures du gaz (1500 K vs 3000 K) en fonction des conditions expérimentales (débit, puissance). Elles ont été estimées en ajustant les spectres ro-vibrationnels de N2 obtenus à ceux issus du logiciel SPECAIR. La mesure de la densité électronique (de l'ordre de quelques 10^14 cm^-3) a été réalisée dans un plasma d'hélium par élargissement Stark de la raie Hβ. Ces mesures ont un double objectif : obtenir des données d'entrée au modèle et valider ses résultats.La modélisation se partage en deux modules réalisés avec le logiciel COMSOL Multiphysics: (i) un module électromagnétique 3D qui résout les équations de Maxwell, (ii) un module hydrodynamique 2D qui résout les équations de Navier-Stokes pour le système gaz/plasma en prenant en compte les ions. Un module plasma, en cours de développement, résoudra les équations fluides pour les électrons et les ions du plasma.Cette modélisation réussit à prédire des températures similaires à celles obtenues expérimentalement et a permis de montrer l'influence du plasma sur l'écoulement et la température du gaz ainsi que l'efficacité du transfert de chaleur du plasma au gaz.

Dans le contexte actuel de réchauffement climatique et d'épuisement des ressources énergétiques fossiles conventionnelles, la production d'énergie à partir de combustibles renouvelables (biomasse et déchets) présente un intérêt croissant. Cependant les brûleurs industriels conventionnels sont mal ou pas adaptés pour la valorisation énergétique de combustibles pauvres qui sont pourtant peu couteux et largement disponibles. Les électro-brûleurs, basés sur une assistance à la combustion par plasma thermique, sont alors une solution pour ce type de combustible. Ce travail de thèse a pour objectif le développement d'une torche à plasma triphasée d'une puissance de 100 kW, fonctionnant à l'air et facilement intégrable dans un électro-brûleur industriel. Le premier challenge consiste à rendre possible le fonctionnement à l'air en réduisant autant que possible l'érosion à l'air des électrodes en graphite. Pour cela, des solutions de gainage des électrodes à l'azote ou au méthane, de contrôle aérodynamique de l'écoulement de l'air et d'injection de particules de carbone ont été étudiées. Le deuxième challenge est l'optimisation des transferts de masse et de chaleur, ce qui a été réalisé en améliorant l'écoulement du gaz plasmagène et en choisissant les matériaux adéquats pour l'isolation thermique. Une double approche théorique et expérimentale a été adoptée. Au niveau théorique, un modèle d'écoulement turbulent de plasma a été développé avec une modélisation de l'arc électrique par une source stationnaire de chaleur et de quantité de mouvement. Un modèle de rayonnement à bandes du plasma ainsi qu'un modèle de cinétique chimique ont été intégrés. Les résultats de la simulation montrent le rôle important du rayonnement, la limitation du gainage à l'azote et le potentiel intéressant du gainage au méthane. La simulation a permis aussi de valider le design de la nouvelle torche avant les essais. Au niveau expérimental, une nouvelle conception de torche a été proposée et testée. Les essais réalisés montrent que la protection des électrodes par injection de particules de carbone ne suffit pas pour créer une atmosphère neutre autour des électrodes mais que le contrôle aérodynamique de l'écoulement de l'air permet un meilleur contrôle de l'érosion des électrodes. Des essais préliminaires de combustion assistée par plasma de biomasse solides ont été ensuite réalisés et analysés. / Energy production from renewable combustibles like biomass and organic wastes presents an increasing interest with the urgent need to reduce greenhouse gas emissions and the depletion of conventional fossil energy resources. Meanwhile, standard industrial burners are not adequate for the energetic valorization of renewable poor LHV combustibles despite their low price and their abundance in nature. Electro-burners, with plasma assisted combustion technology, are a promising solution for this type of combustible. In this PhD dissertation is detailed the development of a 100 kW plasma torch working in air and embeddable in an industrial electro-burner. It consists firstly, in making possible an operation in oxidizing environment by reducing as much as possible the air erosion of the graphite electrodes. For this purpose, multiple solutions are tested such as sheathing with nitrogen and methane, aerodynamic control of air flow and injection of carbon black particles. The second challenge is the optimization of heat and mass transfers by improving the plasma flow and by choosing the appropriate materials for thermal insulation. Theoretically, a turbulent model of plasma flow is developed with the modeling of the electric arc column as a stationary source of heat and momentum. A multi-band radiation model and a reactional kinetic model are also integrated. The results show the important role of radiation, the limitation of the nitrogen sheathing and the potential of methane injection in reducing electrode erosion. They allowed also validating the design of the plasma torch before the tests. Experimentally, the new torch design is built and tested. It comes out that reducing the electrode erosion by carbon powder injection is not efficient to achieve a neutral environment around the electrodes whereas a control of the nearby air flow appears to be beneficial. Finally, tests of plasma assisted combustion of some biomasses are performed and analyzed.

L’utilisation accrue des nanomatériaux manufacturés (NM) fait en sorte que les différents acteurs de réglementation se questionnent de plus en plus par rapport à leur destin et leurs impacts sur les écosystèmes et la santé humaine suite à leur rejet dans l’environnement. Le développement de techniques analytiques permettant de détecter et de caractériser les NM en matrice environnementale est impératif étant donné la nécessité d’évaluer le risque relié à ces polluants émergents. Une des approches de plus en plus favorisée est d’utiliser une technique chromatographique et un ou plusieurs détecteurs sensibles dans les buts de réduire les effets de matrice, d’identifier des nanoparticules (NP) selon leurs temps de rétention et de les quantifier à des concentrations représentatives de la réalité environnementale. Une technique analytique utilisant la chromatographie hydrodynamique (HDC) et des détecteurs en ligne ou hors ligne (détecteurs de diffusion statique ou dynamique de la lumière, spectromètre de masse par torche à plasma en mode particule unique (SP-ICPMS), l’ultracentrifugation analytique) a donc été développée. Le couplage de la colonne HDC avec ces détecteurs a permis de caractériser des NP standards et l’optimisation des conditions de séparation de ces nanoparticules de polystyrène, d’or et d’argent a permis de confirmer que les NP y sont bel et bien séparées seulement selon leur taille, tel que la théorie le prédit. De plus, l’utilisation de la colonne HDC couplée au SP-ICPMS a permis de séparer un mélange de nanoparticules d’argent (nAg) et de les détecter à des concentrations représentatives de celles rencontrées dans l’environnement, soit de l’ordre du μg L-1 au ng L-1. Par exemple, dans un échantillon d’eau usée (effluent), un mélange de nAg de 80 et de 40 nm a été séparé et les nAg ont été détectées à l’aide du SP-ICPMS connecté à la colonne HDC (temps de rétention de 25.2 et 25.6 minutes et diamètres déterminés de 71.4 nm et 52.0 nm). Finalement, pour plusieurs échantillons environnementaux auxquels aucun ajout de nanoparticules n’a été fait, les analyses HDC-SP-ICPMS effectuées ont permis de déterminer qu’ils ne contenaient initialement pas de nAg. / Due to the widespread use of engineered nanoparticles (ENP), regulatory agencies are very concerned about their fate and their impacts on the environment and on human health. The development of analytical techniques, which will allow the detection, characterization and quantification of ENP in environmental matrices, is therefore critical in order to properly evaluate the exposure associated with these emerging pollutants. One promising approach to detect and quantify the nanoparticles is to couple a chromatographic technique to a sensitive detector in order to: (i) reduce matrix effects; (ii) identify nanoparticles from their retention times and (iii) quantify the ENP at environmentally relevant concentrations. Consequently, the coupling of hydrodynamic chromatography (HDC) was performed with both on-line and off-line detectors (light scattering detectors, inductively coupled plasma mass spectrometer in its single particle mode (SP-ICPMS) and an analytical ultracentrifuge). HDC was first used for the characterization of ENP standards. Separation conditions were optimized for standard nanoparticle suspensions of polystyrene, gold and silver, which allowed us to confirm that the separation was occurring, based on hydrodynamic size, as predicted by theory. By coupling the HDC column to the ICPMS detector in its ‘‘single particle’’ mode, it was possible to separate an ENP mixture and to detect the nanoparticles at environmental concentrations, i.e., in the μg L-1 to ng L-1 range. For example, in a wastewater sample (effluent wastewater), a mixture of two silver nanoparticles (nAg) of 40 and 80 nm were separated and the nAg were detected by SP-ICPMS at retention times of 25.2 and 25.6 minutes. Diameters of 71.4 nm and 52.0 nm were found. HDC-SP-ICPMS analysis carried out on different non-spiked wastewater samples allowed us to conclude that nAg was below the detection limit of 0.1 µg L-1.

Au cours de la dernière décennie, la technologie de projection à la torche à plasmasous très faible pression (VLPPS) (inférieure à 10 mbar) a attiré l’attention denombreux chercheurs car ce procédé permet d’envisager la possibilité de réaliser desdépôts de structure voisine de celle des dépôts en phase vapeur avec une cinétiqueproche de celle de la projection thermique classique. Cette technologie vise donc àévaporer totalement ou partiellement des poudres afin de déposer des revêtementsdenses avec une structure colonnaire ou mixte.Le travail effectué dans cette étude à consisté à étudier et à développer des moyenspour assurer la fusion et l’évaporation de matériaux céramiques en vue d’élaborer desrevêtements de haute qualité et à caractériser les propriétés de ces revêtements.Dans une première approche des dépôts denses et homogènes de zircone stabilisée àl’yttrine (YSZ) ont été obtenus sur un substrat « inox » en utilisant des torches àplasma « classiques » de type F100 et F4 sous très faible pression (1 mbar) en utilisantde façon originale un principe d’injection axiale via l’alimentation en gazplasmagènes. Un spectromètre d’émission optique a été utilisé pour analyser lespropriétés du jet de plasma et notamment apprécier le taux d’évaporation du matériau.La composition et la microstructure des dépôts ont été caractérisées par diffraction desrayons X et microscopie électronique à balayage. Les résultats ont montré que lapoudre YSZ a été partiellement évaporée et que les dépôts obtenus disposent d’unemicrostructure hybride composée de « splats » formés par des particules fondues etune « matrice » (en faible quantité) résultant de la condensation de vapeurs provenantde l’évaporation des particules surchauffées.Afin de tenter d’augmenter le taux de vaporisation, l’anode de la torche F100 a étéallongée et un dispositif d’arc transféré complémentaire a été réalisé afin d’éleverl’énergie du jet de plasma et de favoriser l’échange thermique. Les effets de cedispositif sur les propriétés du jet de plasma ont été évalués par spectrométried’émission optique et calcul de la température électronique. Des dépôts de YSZ etd’alumine (Al2O3) ont été élaborés à la pression de 1 mbar. Les dépôts de YSZ ontaffiché une microstructure hybride similaire à celle obtenue précédemment alors quepour les dépôts d’alumine, seul un dépôt lamellaire « classique » a été observé. Lacapacité d’évaporation est donc restée limitée. La microstructure, les propriétésmécaniques et les propriétés de résistance aux chocs thermiques des dépôts de YSZont été étudiées plus en détail et comparées avec celle de dépôts réalisés dans desconditions plus classiques. Une tenue améliorée en termes de résistance aux cyclagesthermiques a notamment été observée.Afin de répondre aux attentes en matière de niveau de densité de puissance du jet lelaboratoire s’est équipé d’une une nouvelle torche à plasma tri-cathode expérimentaleélaborée par la société AMT. Cette torche a été modélisée et testée dans un premiertemps en conditions atmosphériques, révélant une limitation importante du rendementde projection. A partir de ces premiers résultats expérimentaux une nouvellegéométrie de buse a été proposée afin d’améliorer le rendement de projection. Il aalors été constaté que le rendement de la projection avait été considérablementaugmenté par cette modification et que la microstructure du dépôt était également plusfavorable. Ce travail devra maintenant se poursuivre par l’intégration de cette torche dans l’enceinte sous pression réduite. / During the last decade, very low pressure plasma spraying (VLPPS) technology(below 10 mbar) attracted attention because it could allow to produce coatings with astructure similar to that of vapor deposited materials (PVD) with kinetics close to thatof thermal spray. This technology aims to fully or partially evaporate the feedstockmaterials in order to build rapidly dense, thin, and columnar coatings.The work during this thesis preparation was thus devoted to the study anddevelopment of tools and techniques allowing fusion and evaporation of ceramicmaterials in order to obtain high quality deposits with new performance and then tocharacterize the properties of those deposits. In a first approach dense and homogeneous yttria-stabilized zirconia (YSZ) coatingswere deposited successfully on a stainless steel substrate using “classical” plasmaspray torches such as F100 and F4 under very low pressure (1 mbar) by means ofusing an original way of introducing the feedstock material in the core of the plasmajet via the plasma gas port. Optical emission spectroscopy was used to analyze theproperties of the plasma jet and especially to observe the feedstock materialevaporation rate. The phase composition and the microstructure of the coatings werecharacterized by X-ray diffraction and scanning electron microscopy. Results showedthat the YSZ powder was partially evaporated and that the coatings possessed aduplex microstructure which was composed of splats formed by the impingement ofmelted particles and a little amount of a matrix formed by the condensation of thevapor emitted by overheated particles.In order to try and increase the evaporation rate, a home-made transferred arc nozzlewas made and mounted on a F100 plasma torch in order to enhance the energy levelof the plasma jet and then to increase thermal exchanges. The effects of thetransferred arc nozzle on the plasma jet properties were evaluated by optical emissionspectroscopy and electron temperature calculation. YSZ and alumina (Al2O3) coatingsWere elaborated using such a nozzle below 1 mbar. It was found that the YSZ coatingsdisplayed a duplex microstructure similar to that obtained in the previous experiments.However, no vapor condensation could be observed in the case of the Al2O3 coatingsindicating that the evaporation capacity of the system remained limited.The microstructure, the mechanical properties and the thermal shock resistance of theYSZ coatings were studied in more details and compared to that of deposits madeusing classical thermal spray routes. An enhanced resistance to thermal shock couldthus be observed for the coatings with a duplex structure.In order to find a solution for a substantial increase in the energy density of theplasma jet, the laboratory commissioned a novel experimental tri-cathode plasmatorch made to the AMT Company. This new torch was modeled and first testedunder atmospheric conditions, which revealed a poor spray yield. Following thosefirst experimental results, a modified nozzle was designed. As a result, the sprayefficiency was considerably increased and the coating fabricated by the tri-cathodetorch displayed a better microstructure. Now this work has to be pursued with theintegration of this torch in the low pressure spray tank.