Les recherches du groupe AEPPT ont pour objectifs l’étude, la caractérisation, l’optimisation de systèmes et procédés industriels où des plasmas thermiques sont présents. Elles sont menées en identifiant les phénomènes physiques nécessaires à la description des milieux puis en les prenant en compte au sein de modèles multi physiques validés expérimentalement. Ces modèles sont implémentés en utilisant des codes mis au point en interne (home made), ou bien par l’incorporation de modules complémentaires à des logiciels commerciaux de mécanique des fluides non dédiés aux plasmas (Ansys Fluent), ou bien encore dans des codes en accès libres (ex OpenFoam, DIVA, code_Saturne). Ces modélisations permettent de décrire les propriétés spécifiques des plasmas thermiques en écoulement et leur interaction avec leur environnement (gaz, électrodes, matériaux). Des expérimentations sur des maquettes simplifiées sont menées afin de les valider. Les particularités et spécificités des activités de notre équipe sont :
(1) la prise en compte de la physique nécessaire à la description des différents procédés, appliquée à des géométries tridimensionnelles proches de la réalité
(2) la mise en place d’expérimentations dédiées venant appuyer et valider les résultats théoriques sur des configurations simplifiées
(3) le calcul de cinétique chimique et de déséquilibres thermiques ou chimiques ainsi que le calcul de compositions, propriétés thermodynamiques et radiatives et coefficients de transport nécessaires à nos modélisations et à l’interprétation des résultats expérimentaux. Ces derniers points (composition, propriétés…), même si nos calculs des propriétés permettent l’obtention de résultats novateurs notamment par la prise en compte des effets du Viriel sont plus à considérer en appui des autres activités que comme un axe de recherche à proprement parler. Il n’en sera donc pas fait mention par la suite.
Notre savoir-faire, reconnu par la communauté, nous amène ensuite à choisir nos projets en fonction de cette orientation. La répartition de nos activités se situe à 15% pour la mise en place de données de bases (venant alimenter modèles et expériences), 35% pour les expérimentations pour validation des outils numériques, 50% pour l’étude théorique de phénomènes physiques dans des configurations complexes proches des procédés.
Notre politique scientifique consiste donc à développer sur fonds propres des études fondamentales que l’on transpose ensuite à des configurations réelles proches des dispositifs industriels. Notre activité est articulée autour de trois axes de recherches.
Exemple de champ de température dans un disjoncteur Haute tension à SF6
Au travers de nos collaborations industrielles, nous cherchons à améliorer la compréhension des dispositifs de coupure électrique basse tension, haute tension et des parafoudres. Concernant haute tension, après avoir développé des modèles physiques des arcs créés dans les disjoncteurs à SF6 (voir image ci contre), nous développons avec Siemens Energy de nouvelles modélisations à deux températures d’arc dans le vide. Ce modèle devrait permettre d’envisager la montée en tension des disjoncteurs à vide pour qu’ils puissent à terme concurrencer les disjoncteurs à gaz (SF6) beaucoup plus polluants.
Concernant les dispositifs de disjoncteurs basse tension, notre collaboration de longue date avec la société Hager a conduit au développement de modèles se rapprochant des conditions réelles (géométries réelles issues de la CAO, coupure du courant, prise en compte des séparateurs, prise en compte du réseau et de la limitation) tout en cherchant à valider ces améliorations par des expérimentations sur des configurations simplifiées.
Enfin, depuis 2023, nous avons adapté nos modèles à des dispositifs de parafoudre afin de pouvoir mieux dimensionner ces derniers. Ces adaptations sont validées avec des expériences menées chez notre partenaire industriel CITEL et dans nos locaux.
Image CFD de l’intérieur de la cathode creuse et des injecteurs d’une torche de puissance de grande dimension (~60cm). Sont représentés l’isotherme à 10000K, caractéristique de l’enveloppe de l’arc et des « streamlines » rouges pour le gaz descendant et bleus pour le gaz montant.
Cet axe concerne le développement d’outils numériques validés permettant de décrire les écoulements des plasmas thermiques et leur interaction avec leur environnement. Nous étudions ainsi différents types de torches présentant des spécificités particulières suivant leurs applications :
Exemple de caractérisation par l’imagerie de la bulle créée par un arc dans l’eau
Cet axe, émergent et à relativement bas TRL, porte sur l’étude d’arcs impulsionnels. Ce type d’arcs se retrouve essentiellement dans nos activités autour de trois thématiques : une première liée à la cinétique de l’arc lors de son extinction pour laquelle nous avons développé des modèles cinétiques ; une deuxième portant sur l’amorçage des parafoudres et une autre concernant les arcs dans les liquides initiée voilà une dizaine d’années et portée par des fonds propres et institutionnels. Ces dernières années, une partie importante de notre activité s’est concentrée sur les arcs dans les liquides avec pour objectif de développer des modèles diphasiques de ces milieux (peu étudiés dans la littérature) et en parallèle de mener des expérimentations de caractérisation et de validation. Un exemple de mesures par imagerie est donné sur l’image ci-contre. Cela nous a amené à construire des collaborations académiques avec le GEM, le SIAME et l’IMFT. Nous poursuivons notre dynamique en à l’aide d’un projet région/EUROPE.
D’un point de vue opérationnel, nous organisons nos activités autour de différentes plateformes :
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L’équipe AEPPT développe ses activités expérimentales sur deux salles lui permettant de développer des expérimentations en vue de caractériser les milieux plasmas et de valider les modèles physiques qu’elle développe.
Alimentations
Caractérisation Optique
Autres mesures
Caractérisation Electrique
Petits matériel
AEPPT (Arc Electrique et Procédés Plasma Thermique)
Résumé
L’équipe caractérise (expérience/modélisation/calcul propriétés des gaz et mélanges) les milieux plasmas thermiques en présence d’arc électrique dans des configurations proches des procédés /systèmes industriels.
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