Modélisation de la synthèse réactive de poudres ultrafines dans un réacteur a plasma thermique

La présente thèse s'inscrit dans le cadre de la modélisation mathématique des écoulements à plasmas thermiques inertes et réactifs. Elle vise plus précisément à combler les lacunes des modèles existants en portant une attention particulière aux phénomènes de transport multicomposant et à la prédiction des transformations chimiques. Pour répondre à ces attentes et ainsi poursuivre le développement dans ce domaine, un modèle global a été développé. Il combine la résolution d'équations conservatives pour la masse, l'énergie et le momentum. La génération d'un plasma inductif (h.f) y est traitée au moyen d'équations représentant les champs électromagnétiques. La nucléation et la croissance de poudres ultrafines sont incluses dans le modèle via l'analyse des principaux moments de la distribution des tailles de particules. Enfin, tous les phénomènes physico-chimiques d'importance dans un milieu comme les plasmas thermiques, de même que leurs interactions, sont considérés. Le modèle est appliqué ici à l'analyse de trois problématiques différentes et complémentaires. La première concerne l'étude du mélange gazeux d'un jet froid (He, N2 ou O2), injecté au coeur d'une décharge d'argon/hydrogène ou d'argon/oxygène. La comparaison des prédictions du modèle avec des mesures expérimentales obtenues par une sonde enthalpique permet une validation partielle de ce dernier. La deuxième problématique a trait à l'étude numérique de la pyrolyse du méthane en réacteur à plasma h.f. Elle met en évidence les difficultés de convergence de la méthode numérique lorsque appliquée [i.e. lorsqu'appliquée] à la résolution d'écoulements réactifs à haute température. Finalement, le dernier sujet abordé dans cette thèse, soit l'analyse systématique des principales conditions d'opération d'un réacteur h.f utilisé pour la synthèse réactive de poudres ultrafines de silicium, engage tous les élements [i.e. éléments] théoriques du modèle. Il implique en effet la décomposition thermique d'un précurseur gazeux, le tétrachlorure de silicium, la diffusion multicomposante des espèces impliquées dans le mécanisme réactionnel et la nucléation homogène de même que la croissance de particules de silicium

Modélisation de la synthèse réactive de poudres ultrafines dans un réacteur a plasma thermique

La présente thèse s'inscrit dans le cadre de la modélisation mathématique des écoulements à plasmas thermiques inertes et réactifs. Elle vise plus précisément à combler les lacunes des modèles existants en portant une attention particulière aux phénomènes de transport multicomposant et à la prédiction des transformations chimiques. Pour répondre à ces attentes et ainsi poursuivre le développement dans ce domaine, un modèle global a été développé. Il combine la résolution d'équations conservatives pour la masse, l'énergie et le momentum. La génération d'un plasma inductif (h.f) y est traitée au moyen d'équations représentant les champs électromagnétiques. La nucléation et la croissance de poudres ultrafines sont incluses dans le modèle via l'analyse des principaux moments de la distribution des tailles de particules. Enfin, tous les phénomènes physico-chimiques d'importance dans un milieu comme les plasmas thermiques, de même que leurs interactions, sont considérés. Le modèle est appliqué ici à l'analyse de trois problématiques différentes et complémentaires. La première concerne l'étude du mélange gazeux d'un jet froid (He, N2 ou O2), injecté au coeur d'une décharge d'argon/hydrogène ou d'argon/oxygène. La comparaison des prédictions du modèle avec des mesures expérimentales obtenues par une sonde enthalpique permet une validation partielle de ce dernier. La deuxième problématique a trait à l'étude numérique de la pyrolyse du méthane en réacteur à plasma h.f. Elle met en évidence les difficultés de convergence de la méthode numérique lorsque appliquée [i.e. lorsqu'appliquée] à la résolution d'écoulements réactifs à haute température. Finalement, le dernier sujet abordé dans cette thèse, soit l'analyse systématique des principales conditions d'opération d'un réacteur h.f utilisé pour la synthèse réactive de poudres ultrafines de silicium, engage tous les élements [i.e. éléments] théoriques du modèle. Il implique en effet la décomposition thermique d'un précurseur gazeux, le tétrachlorure de silicium, la diffusion multicomposante des espèces impliquées dans le mécanisme réactionnel et la nucléation homogène de même que la croissance de particules de silicium

Prédiction par transfert inverse d’un champ de conductance thermique de contact dans un mur de réacteur métallurgique

Cet article porte sur une méthode d’estimation, novatrice et non intrusive, de la conductance thermique de contact dans un mur de réacteur métallurgique. Dans le cas d’un réacteur métallurgique, il est essentiel de déterminer la conductance thermique de contact dans l’assemblage des parois. Cela permet d’identifier et de corriger les défauts de contact avant la mise en fonctionnement du réacteur métallurgique. Cette étude recourt à la méthode inverse du gradient conjugué avec un problème adjoint, pour réaliser cette estimation. La méthode a été validée à l’aide de tests numériques représentant un diagnostic du contact thermique entre une paroi réfractaire et une paroi d’acier du réacteur métallurgique avec différentes conductances thermiques de contact. Dans un second temps, des tests supplémentaires ont été réalisés pour observer l’évolution de l’erreur d’estimation en fonction de deux nombres sans dimension, le rapport de conductivité thermique et le nombre de Biot. Cela a permis de conclure qu’il faut avoir simultanément un rapport de conductivité thermique supérieur à 1 et un nombre de Biot supérieur à 0,005 pour obtenir une estimation précise dans les cas étudiés

To what extent do thermo physical properties of a metallurgical reactor affect the performance of a virtual sensor used for predicting the ledge profile?

A non-invasive virtual sensor is employed for the inverse prediction of the time-varying ledge profile that forms inside high-temperature metallurgical reactors filled with a load of phase change material (PCM). The virtual sensor is tested for thermo physical properties of the vessel wall and of the PCM that fall outside the range for which it was originally designed. The results are analyzed and presented in terms of the shift of key thermo physical properties from the reference case. Results indicate that the virtual sensor is more sensitive to the variation of the properties of the phase change material than that of the vessel walls. The virtual sensor response remains accurate for reactor loads of high thermal inertia. The virtual sensor may still be used for reactor loads of low thermal inertia provided that thermo physical properties of the PCM are well-known