« Influence des vapeurs métalliques sur le déplacement de l’arc »

Présentation du Laboratoire LAPLACE

Le Laboratoire Plasma et Conversion d’Energie (LAPLACE), dirigé par Oliver Eichwald et N. Gherardi est une Unité Mixte de Recherche du Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), de l’Institut National Polytechnique de Toulouse (INPT) et de l’Université Toulouse 3-Paul Sabatier (UPS). Localisé entre autres sur le campus de l’Université Paul Sabatier, le LAPLACE héberge la plus forte concentration de recherche en Génie Electrique et en Plasma de France et couvre de manière intégrée le continuum « plasma/matériaux/systèmes ». 

Introduction

De nos jours, il existe plusieurs types de configurations technologiques dont le fonctionnement implique la génération d’un plasma thermique par arc électrique établi entre deux électrodes. C’est le cas des torches à plasma thermique ainsi que des dispositifs de coupure du courant transitoire : les disjoncteurs à haute et basse tension et les parafoudres. Dans le cas particulier de la coupure basse tension et des éclateurs à gaz (parafoudre), les enjeux concernent : l’augmentation de la tension de l’arc et son extinction le plus rapidement possible par limitation du courant.

Dans la littérature, la majorité des études théoriques et expérimentales sur la coupure basse tension est dédiée à l’étude des phénomènes physiques liés au déplacement de l’arc et à sa segmentation au niveau de séparateurs métalliques. Cependant, une faible importance est accordée aux effets que pourrait engendrer l’émission de vapeurs métalliques issues de l’érosion ou de l’ablation des électrodes par l’arc électrique.

La conception de dispositifs de coupure performants repose sur la compréhension des phénomènes physiques liés au déplacement de l’arc mais également à la compréhension de l’influence de l’interaction de l’arc avec les électrodes impliquant l’émission de vapeurs métalliques. Ces vapeurs métalliques viennent ensemencer le milieu plasma changeant ainsi ses propriétés. Du fait de leur faible potentiel d’ionisation, ces vapeurs métalliques ont tendance à augmenter la conductivité électrique du plasma facilitant ainsi les phénomènes de claquages de l’arc au niveau des zones en proche voisinage des électrodes. Ces phénomènes de claquage peuvent avoir un impact non négligeable sur le déplacement de l’arc pouvant parfois même compromettre le bon fonctionnement du dispositif. L’étude et la compréhension de leur influence sur les caractéristiques du plasma demeurent donc indispensables.

Sujet Proposé

La première partie du stage sera consacrée à une étude bibliographique (approches théoriques et expérimentales) sur les travaux relatifs à l’influence des vapeurs métalliques sur le comportement d’un arc dans l’air. Une synthèse des conclusions principales sera fournie.

Dans un second temps, l’étudiant(e) se familiarisera avec les outils de modélisation de l’équipe AEPPT (Icem et Fluent).  L’apprentissage s’effectuera via une configuration d’arc libre qu’il s’agira de reproduire.  Au préalable l’étudiant devra se familiariser avec la méthode des volumes finis.

La dernière partie du stage sera consacrée à l’étude de l’influence des vapeurs métalliques sur une configuration simplifiée constituée de deux rails parallèles.

Si le temps le permet, l’étudiant(e) participera à des compagnes expérimentales permettant de mettre en évidence les vapeurs métalliques et leur influence sur le comportement du plasma.

Possibilité de poursuire en thèse : Oui

Étudiant(e) en Master 2 ou en dernière année d'Ecole d'Ingénieur dans les domaines de la Physique, des Plasmas, de la Mécanique des fluides, de la simulation multi-physique

- Connaissance en langage C - Mécanique des fluides - Physique fondamentale – Connaissance de la physique des plasmas appréciée