Modélisation des décharges couronnes négatives (Application à la précipitation électrostatique)

La filtration électrostatique offre de nombreux avantages du point de vue du traitement des déchets nucléaires. En effet, elle permet de filtrer des particules d une taille inférieure au micron, en n'engendrant ni déchets secondaires (absence de média filtrant), ni pertes de charge dans le circuit de traitement. Ce travail de thèse porte sur l'étude des décharges couronnes négatives dans l'air à pression atmosphérique intervenant dans un procédé d'électrofiltration développé par le CEA. L'objectif est de comprendre dans quelle mesure, et comment, les phénomènes extérieurs inhérents à l'électrofiltration, en particulier l'alimentation spécifique utilisée, la température et la présence des particules polluantes dans l'intervalle ou sous forme de dépôts sur les électrodes, modifient la décharge afin d'améliorer les procédés d'électrofiltration. Ce travail est basé sur une étude expérimentale fondamentale de la décharge négative ainsi que sur des simulations numériques de la décharge dans des conditions proches du fonctionnement de l'électrofiltre pilote du CEA.Electrostatic precipitation presents many advantages from the nuclear wastes treatment's point of view. Indeed, this kind of process can capture submicronic particles without producing secondary wastes (no filter media) and without pressure looses in the exhaust circuit. The work presented in this thesis concerns the study of negative corona discharges in air at atmospheric pressure occurring in an electrostatic precipitator (ESP) developed by the CEA (Atomic Energy Committee). The aim of this study is to determine how the electrostatic precipitation dedicated phenomena, especially the specific high voltage generator, the gas temperature and the fact that particles are flowing through the gap then collapsing on the electrodes, modify the discharge to improve the efficiency of ESPs. This work is based on a fundamental experimental study of the negative corona discharge and on numerical simulations of this discharge under conditions close to those of the lab scale ESP developed by the CEA.PAU-BU Sciences (644452103) / SudocSudocFranceF

Développement d une technique de microbalance à cristal de quartz pour la mesure de propriétés thermophysiques de fluides sous pression

Le sujet de cette thèse a été le développement d une technique de microbalance à cristal de quartz sous pression dont le but est d étudier le comportement rhéologique et de phase de systèmes viscoélastiques complexes, et en particulier des bruts pétroliers extra-lourds. Après avoir validé le dispositif expérimental par la mesure de températures de transition de phase de systèmes modèles cireux, nous nous sommes orientés vers l étude de systèmes viscoélastiques par le biais d une analyse d impédance. Pour cela, un analyseur de réseau a été intégré au dispositif expérimental, ce qui nous a permis de déterminer à la fois la fréquence de résonance, la dissipation et également la comparaison de ces paramètres sur plusieurs harmoniques. A partir de là, nous avons pu en déduire l impédance acoustique du système résonant et remonter ainsi aux propriétés du matériau (masse et module de cisaillement). En particulier, l étude sous pression nous a permis de mesurer de faibles solubilités de gaz (dioxyde de carbone, méthane) dans des bruts pétroliers lourds. Les premiers résultats obtenus ont montré une déviation importante par rapport au comportement théorique sur les premiers rangs d harmonique, et plus particulièrement sur le mode fondamental. C est ainsi qu une étude approfondie du comportement électrique des résonateurs à quartz de coupe AT s est révélée nécessaire pour expliquer les déviations obtenues sur le fondamental. Ensuite, nous avons caractérisé en détail l influence de la pression hydrostatique sur l impédance électrique de ces cristaux de quartz. Enfin, nous avons montré que les phénomènes de rugosité et de glissement doivent être pris en compte précisément pour de futures études rhéologiques.The topic of this thesis is the development of a quartz crystal microbalance technique under pressure in order to study the phase and rheological behaviour of complex viscoelastic systems, and particularly extra-heavy oils. After the validation of the experimental device by measuring phase transition temperatures of waxy model systems, we turned to the study of viscoelastic systems by means of impedance analysis. For this purpose, we have integrated a network analyzer which allows to determine both resonance frequency and dissipation, as well as the comparison of these parameters on several harmonics. These parameters give access to the acoustic impedance of the resonant system and then the material properties (mass and shear modulus) can be deduced. The first results showed an important deviation from theoretical behaviour on the first overtones and particularly on the fundamental mode. Thus, a deep study of the electrical behaviour of AT-cut quartz resonators has been carried out to understand the deviations obtained on the fundamental harmonic mode. Then, we have characterized in detail the effect of pressure on the electrical impedance of these quartz sensors. Finally, we have shown that the phenomena of roughness and slipping must be taken into account accurately for future rheological investigations.PAU-BU Sciences (644452103) / SudocSudocFranceF

Modélisation des décharges électriques filamentaires

Le développement des décharges filamentaires est à la base de l'étude des propriétés diélectriques des gaz, elle trouve cependant aujourd hui de nombreuses applications industrielles dans divers domaines où les propriétés du plasma froid créé par le développement des couronnes de streamer sont utilisées, tels que la chimie hors équilibre pour la dépollution, le traitement de surface, ou la précipitation électrostatique. La contribution à la modélisation des décharges filamentaires de type streamer présentée dans ce travail de thèse se place dans ce contexte. Cette étude consiste d une part en la détermination d une méthode numérique performante, adaptée aux contraintes de la propagation des streamers, à travers la comparaison de différentes techniques de résolution des équations de continuités de plasmas. La méthode numérique choisie est alors appliquée à la modélisation bidimensionnelle de décharges filamentaires en configuration d électrodes plan-plan et pointe-plan, dans les deux polarités. En parallèle, une nouvelle technique de maillage mobile assurant une discrétisation précise des fronts d ionisation durant la propagation est présentée. D autre part, une étude expérimentale sur l initiation de la première couronne négative dans l air en géométrie pointe-plan pour différentes configurations de pointe est proposée. Cette étude s accompagne de simulations prenant en compte une loi de conduction dans les isolants de type Poole-Frenkle modélisant l effet Malter en surface de la cathode.Filamentary discharges development is involved in the dielectric properties of gaseous insulators, however there has been recently a great interest also for many applications, including chemical processing applied to depollution, surface treatment, or electrostatic precipitation. In this context, the work presented here concerns a contribution to streamer discharges modelling. On one hand, the study consists in the determination of a sufficiently impressive numerical scheme to cope with streamers discharges constraints. Different advection schemes are compared, the best scheme is then applied to a two-dimensional streamer discharges modelling in point-to-plane and plane-to-plan electrode systems under positive and negative polarities. Moreover, a new moving mesh method is developed in order to track and resolve ionisation fronts during their propagation. On the other hand, an experimental study on negative corona discharge triggering in air with different cathode-point surface states is proposed. This study is presented with associated simulations which take into account conduction mecanism in the bulk of insulating layers (Poole-Frenkle law) modelling Malter effect at the cathode surface.PAU-BU Sciences (644452103) / SudocSudocFranceF

Etude et réalisation d un ensemble autonome d émission d ondes électromagnétiques de fortes puissances.

La production de champs électromagnétiques intenses semble être, aujourd hui, une application majeure des systèmes générateurs de fortes puissances électriques pulsées. La simplicité de mise en œuvre d une solution tout électrique permet des adaptations expérimentales et une maintenance aisée, ce qui en fait un choix technologique privilégié. Dans ce contexte, nous avons développés, avec l appui de THALES, deux sources impulsionnelles subnanosecondes récurrentes fondées sur l utilisation de générateurs haute tension à fronts raides de type Marx, et des diviseurs capacitifs adaptés à la mesure de ces transitoires rapides en haute tension. Chacune de ces sources pulsées compactes est pilotée par un chargeur autonome et est associée à une antenne d émission ultra large bande pour former un dispositif d émission d ondes de forte puissance. En collaboration avec le laboratoire XLIM, une antenne à ondes progressives existante a été modifiée pour supporter les fortes puissances mises en jeu. Les deux dispositifs d émission complets ainsi constitués ont été caractérisés. Les facteurs de mérite (produit de l amplitude du champ rayonné par la distance à laquelle il est mesuré) atteints sont de 223kV pour le premier dispositif et 436kV pour le second.Today, the generation of high power electromagnetic waves is a major application of electrical pulsed power devices. The implementation of a whole electrical solution for the development of the source seems to be the best technological choice because it allows us to make experimental tests and an easy maintenance of the system. In this context, the Electrical Engineering Laboratory of Pau University, in collaboration with THALES, has developed two repetitive subnanosecond pulsed sources based on high voltage, short rise-time Marx generator. Measurement devices are also made to measure both the amplitude and the rise-time of the pulse generated. Each compact source is driven by an autonomous charger and associated with an ultra wideband antenna to radiate high power electric field. In collaboration with the XLIM Laboratory of Limoges University, a travelling wave antenna was modified in order to withstand high power operations. These two high-power radiation sources were tested. The figures-of-merit (equal to the product of the peak field strength multiplied by the distance) reach 223kV for the first device and 436kV for the second one.PAU-BU Sciences (644452103) / SudocSudocFranceF

Finite volumes method for the cell electrical model

International audienceWe present a finite volumes method to model and simulate the exposition of a biological cell to a nanosecond electric pulse in the view of electropermeabilization description. A quasi-static electric model based on the metal-dielectric equivalence is proposed for conduction modeling. A Poisson equation is solved. The method - Discrete Dual Finite Volume method (DDFV) - is shown to be efficient in taking electric jump conditions at the cell membrane. The advantages of the method are presented on axisymmetric 2D classic problems

Optical Emission Spectroscopy of Glow, Townsend-like and Radiofrequency DBDs in an Ar/NH \textsubscript3 Mixture

International audienceThree homogeneous DBD modes have been observed in argon ammonia Penning mixture. The transition from glow to Townsend-like to radiofrequency modes happens when the frequency increases from 50 kHz and 9.6 MHz. The aim of this paper is to characterize these modes based on the study of optical emission spectra. The transition from glow mode to Townsend-like mode is characterized by stronger argon emissions associated to higher energetic electrons. The radio-frequency mode is characterized by a continuum in the UV-vis range. This continuum is attributed to bremsstrahlung emission. Its presence is explained by a high density of less energetic electrons which is consistent with a decrease of argon emissions and an increase of the NH 336 nm system associated with electrons of low energy. \textcopyright 2015 IOP Publishing Ltd

Modeling of a biological cell exposed to an electrical pulse: a Discrete Dual Finite Volume method application

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A finite volume method to solve the Poisson equation with jump conditions and surface charges: Application to electroporation

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Measurement of Gas Solubilization in Heavy Oil by Using a Piezoelectric Quartz Resonator

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Characterization of the behaviour of a quartz crystal resonator fully immersed in a Newtonian liquid by impedance analysis

International audienceThe response in resonance frequency and dissipation of a quartz crystal resonator totally immersed in a liquid medium was theoretically and experimentally studied as a function of overtone number along a wide overtone range. In the experimental part it was observed that parasitic effects caused by finite crystal size and interference with inharmonic modes reduce the experimental valid overtone domain. In particular, it was shown that the fundamental mode significantly deviates from other harmonics trend. In the valid working domain, it was observed that the dissipation and resonance frequency follow a regular behaviour versus overtone number. A model that accounts for the interfacial factors through two parameters in addition to viscous damping was developed to reproduce the experimental behaviour observed as a function of overtone order. One parameter represents the thickness of a virtual viscoelastic layer deposited onto the crystal surface whereas another parameter takes into account the contribution of interfacial effects on the dissipation. The proposed model leads to an excellent agreement with experiments of both resonance frequency and bandwidth despite the presence of only one parameter in each expression. Moreover, carrying out comparison with various liquids having an electrical conductivity below 10-6 S/m and covering a wide range of viscosity-density product shows that the parameter occurring in the expression of dissipation only depends on the quartz resonator characteristics whereas the other coefficient is linked to both quartz oscillator and liquid behaviours