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Soutenance de thèse de Narjisse KABBAJ

par Isabelle Clarysse - publié le

Narjisse KABBAJ soutiendra publiquement ses travaux de thèse intitulés :

Étude du transfert radiatif d’un plasma thermique d’air : Influence des propriétés radiatives dans la modélisation d’un arc libre

La soutenance se déroulera lundi 4 mars à 10h30 en salle des colloques du bâtiment 3R2, site UPS.

Jury :

Jean Marc Bauchire - Rapporteur - GREMI, Groupe de Recherches sur l’Energétique des Milieux Ionisés
Pascal André - Rapporteur - LPC, Laboratoire de Physique de Clermont
Marina Lisnyak - Examinatrice - Docteur-Ingénieur à Schneider Electric
Georges Zissis - Examinateur - LAPLACE, Université Paul Sabatier
Yann CRESSAULT - Directeur de thèse - LAPLACE, Université Paul Sabatier

Résumé :
Dans la simulation des arcs électriques, une estimation de la contribution radiative est indispensable pour fournir une description satisfaisante du comportement thermique du plasma. La prédiction précise de la divergence du flux radiatif (DFR) est essentielle pour déterminer l’évolution de la température de l’arc. Afin de décrire avec précision les effets radiatifs, la résolution de l’équation de transfert radiatif (ETR) est nécessaire moyennant la connaissance du coefficient d’absorption du milieu. Malheureusement, ce coefficient étant dépendant de la température et de la longueur d’onde, cette équation s’avère complexe à résoudre et coûteuse en temps de calcul. De nombreuses méthodes approximatives sont ainsi développées pour simplifier le calcul des propriétés radiatives. Dans ce travail, nous décrivons finement le spectre d’un plasma d’air avec près de 7.106 points en fréquence (ou longueur d’onde). A partir de ce découpage, nous calculons la DFR, soit à partir de la méthode approchée du coefficient d’émission nette (CEN) basée sur une simplification géométrique du plasma, soit à partir des coefficients moyens d’absorption (CMA) obtenus après découpage du spectre en 6 intervalles spectraux utilisant différentes moyennes (Classique, Planck, Planck modifiée et Rosseland), soit à partir d’un calcul « exact » correspondant à la résolution directe de l’ETR. Les calculs sont réalisés en 1D simulant un plasma cylindrique dont la température ne varie qu’en fonction du rayon (9 configurations de profils de température). Les différentes étapes de calcul y sont présentées mettant en évidence l’influence de certains paramètres comme la largeur et la température maximale du profil de température, la pression, la présence de vapeurs de cuivre… Une grande partie de ce travail porte sur la comparaison des résultats obtenus par le calcul « exact » avec ceux déduits des différentes méthodes approchées dans le but de valider leur utilisation ainsi que leur précision. Cette comparaison nous a permis de développer une méthodologie d’optimisation apportant des améliorations au calcul des méthodes approchées (CEN et CMA) permettant ainsi une meilleure description du rayonnement. Enfin, ce travail présente le développement d’un modèle d’arc libre 2D axisymétrique résolvant les équations de Navier-Stockes et de Maxwell par la méthode des volumes finis. Celui-ci permet une comparaison entre la méthode du CEN et la méthode P1 qui tient compte de l’absorption du rayonnement des zones froides.

Mots clés :
Plasma thermique ; Simulation d’arc électrique ; Rayonnement ; Coefficient d’émission nette ; Coefficient moyen d’absorption ; Divergence du flux radiatif ; Equation du transfert radiatif ; Volumes finis.

Summary :
In the simulation of electrical arc, the representation of radiative contribution is essential to provide a satisfactory description of the thermal behavior of the plasma. The accurate prediction of the radiative emission is essential to determine the evolution of the arc temperature. For a precise description of radiative effects, a resolution of the Radiative Transfer Equation (RTE), is necessary with knowledge of the absorption coefficient. Unfortunatly, the complexity of this coefficient - dependent on temperature and wavelenghth - makes this equation impossible to solve in term of computational cost. This is why many approximative methods are developed to simplify the calculation of the radiative properties. In this work, we have carried out a detailed description of the spectrum of an air plasma with about 7.106 points on frequency. From this description, we have calculated the divergence of the radiative flux either from the net emission coefficient (NEC) based on a geometric simplification of the plasma, or from the mean absorption coefficients (MAC) calculated after a division of the spectrum into 6 intervals in which we have used different mean functions (Classic, Planck, Planck Modified and Rosseland), or from an exact calculation corresponding to a direct solution of the RTE. This is why many approximative methods were developed to reduce numerical demands. The calculations have been done in 1D assuming a cylindrical plasma for which the temperature profile varies only with the radius (9 configurations of temperature profile). The different steps of the work are presented and highlight the influence of several parameters such as the temperature profile, the pressure, the presence of copper vapors… A great part of this work deals with the comparison between the results obtained from the exact resolution with the results deduced from the other approaches in order to validate the use and the accuracy of the different methods. This comparison allowed us to develop an optimization methodology providing improvements to the calculation of the approximate methods (NEC and MAC) allowing a better description of the radiative properties. Finally, this work presents the development of an axisymmetric 2D free-burning arc model solving the Navier-Stockes and Maxwell equations by the finite volume method. This model allows a comparison between the NEC method and the P1 method which takes into account the absorption of radiation in the cold areas.

Keywords :
Thermal plasmas ; Simulation of electrical arc ; radiative properties ; net emission coefficient ; Mean absorption coefficient ; Divergence of radiative flux ; Radiative transfer equation ; Finite volume.