Partie I: Caractérisation électrique, optique et mécanique d’une décharge
4.4.2 Comparaison des images iCCD
Les images iCCD de la Figure I-47 montrent les décharges SL-DBDs établies à la surface du diélectrique pour des gaps de 40, 60 et 80 mm. Elles sont comparées à la décharge établie par la NS-DBD. La morphologie des décharges reste filamentaire, mais l’intensité des streamers varie à
cause de la variation des amplitudes des tensions appliquées. δ’impact de l’amplitude élevée de la tension continue se remarque sur les points de connexion des streamers qui s’agglomèrent et
deviennent plus intenses lorsque le gap augmente. Par ailleurs, la décharge recouvre de façon
homogène l’espace inter-électrode, cette caractéristique montre que le champ électrique est
uniformément réparti entre les électrodes (1) et (2).
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 Vitess e de propagation (m m/ns ) Temps (ns) DDP/cm = 3,3 kV/cm 5,7 kV/cm 6,0 kV/cm 6,7 kV/cm 7,3 kV/cm 8,0 kV/cm 8,6 kV/cm SL-DBD: G = 60 mm VP= 20 kV
Figure I-46 : Variation de la vitesse de propagation des streamers générés par la décharge SL-DBD pour G = 60 mm, pour une DDP/cm donnée
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4.5 Influence de la géométrie des électrodes sur les caractéristiques optiques
et électriques de la décharge
Dans cette partie, nous avons brièvement étudié l’influence de la géométrie de l’électrode (1) sur le courant de décharge, ainsi que sur la morphologie et la propagation de celle-ci à la surface du
diélectrique. Pour ce faire, soit la géométrie de l’électrode (1) est filaire, en dents de scie, soit l’électrode de masse est rainurée. δ’utilisation des électrodes en dents de scie ou rainurées vise à
localiser les streamers à la surface du diélectrique. Ceci, dans le but de pouvoir contrôler localement un écoulement en manipulant par exemple les tourillons transversaux dans une couche de mélange.
Electrode (1) filaire
Nous avons étudié l’influence de la forme de l’électrode (1) sur la décharge pour une tension
VP = 16 kV et VDC = 0, -10 et -16 kV. Pour ce faire, nous avons utilisé comme électrode (1) un fil
de tungstène de 13 µm de diamètre (SL-DBD-Fil, Figure I-48-A). Les images iCCD de la décharge sont présentées par la Figure I-48. Elles montrent que le régime glissant s’établit à partir de la DDP = 26 kV, comme le cas de où l’électrode (1) est plane, même s’il semble que les filaments soient plus fins que ceux observés en figure I-42 pour une même DDP. δ’autre
16 mm 60 mm 40 mm 80 mm Électrode 1 Électrode 1 Électrode 3 NS-DBD: 16 kVP G40: 16 kVP et -18 kVDC G60: 16 kVP et -34 kVDC G80: 22 kVP et -40 kVDC
74 différence concernant cette géométrie de décharge SL-DBD-Fil est l’extension du plasma de
l’autre côté de de l’électrode filaire (1) (c’est-à-dire dans la direction contraire à celle de l’électrode (1) vers la (3)). Suivant cette géométrie, on constate que la décharge s’étend sur
46 mm. De plus, on observe que la décharge est plus intense autour du fil. Ceci est dû au fait que
le champ électrique est plus fort car le rayon de courbure de l’électrode (1), θ.η µm, est plus faible que celui de la bande d’aluminium qui peut être estimé à environ 35 µm.
δ’électrode (1) en dents de scie
En utilisant une électrode en dents de scie comme électrode (1) (SL-DBD-Scie, Figure I-49-A), la morphologie de la décharge est également impactée. Les dimensions de cette électrode sont de 120 x 20 mm². La distance entre deux pointes successives est de 20 mm et celle entre la pointe et le creux est de 10 mm. δa morphologie de la décharge montre qu’elle prend naissance au niveau des pointes et se propage en direction de l’électrode (3) (Figure I-49). En régime NS-DBD (Figure I-49-B), la décharge se propage en forme de « buisson » autour de la pointe de
l’électrode. Cette distribution spatiale est associée à la distribution radiale du champ électrique
autour de la pointe. En régime SL-DDB (Figure I-49-C, D), on observe les mêmes
caractéristiques où le plasma s’étend à partir de DDP = 26 kVDDP. Lorsque la DDP = 32 kV
A 10 mm
(1)
(3)
16 kV
Pet 0 kV
DC16 kV
Pet -10 kV
DC16 kV
Pet -16 kV
DCB
C
D
Figure I-48 : Décharge générée par une configuration à électrode (1) en fil de 13 µm de diamètre (A), pour VP = 16 kV et VDC = 0 kV (B), VDC = -16 kV (C), VDC = -20 kV (D)
75 (Figure I-49-D), on remarque que les streamers, bien qu’ils prennent naissance à la pointe de
l’électrode s’étendent de façon à recouvrir toute la surface. Chaque extension est stoppée par la
décharge qui a lieu au niveau de la pointe voisine. Ceci laisse entrevoir une frontière où deux streamers successives ne se touchent pas à cause du contre-champ électrique qu’ils créent.
Electrode de masse rainurée
δa décharge est maintenant générée avec une configuration pour laquelle l’électrode de masse (2) est rainurée c’est-à-dire subdivisée en bandes de 1.5 mm de largeur et espacées de 20 mm (SL-
DBD-Rainuré, Figure I-50-A), tout en conservant les électrodes (1) et (3) planes. Pour ce faire, des canaux de profondeur 1 mm et de largeur égale à 1.5 mm sont creusés dans le diélectrique de 3 mm d’épaisseur et remplis d’une peinture conductrice. Cette configuration permet de localiser
les streamers à la surface du diélectrique au niveau de l’emplacement de l’électrode de masse
(Figure I-50-B). δ’énergie totale est donc concentrée dans ces quelques filaments générés. Cette morphologie est comparable aux décharges de type arc qui sont plus énergétiques. Cette nouvelle géométrie serait plus utile pour des applications nécessitant une interaction locale du plasma telle que la manipulation des tourbillons transversaux présents dans une couche de mélange.
A
16 kV
Pet 0 kV
DC16 kV
Pet -10 kV
DC16 kV
Pet -16 kV
DC(1)
(3)
10 mmB
C
D
Figure I-49 : Décharge générée par une configuration à électrode (1) en dents de scie (A), pour VP =
76
Comparaison des énergies
La Figure I-51 présente la variation de l’énergie dissipée par les différentes configurations de
décharges glissantes où l’électrode (1) est plane, filaire, ou en dents de scie de 10 mm et 20 mm d’intervalle. δes résultats montrent que l’énergie dissipée par la décharge à électrode filaire (Fil-
DBD) est plus importante que la décharge à électrode plane. Cela est certainement dû à la
décharge qui s’étend de part et d’autre du fil. A cela s’ajoute l’effet du faible rayon de courbure du fil qui permet d’intensifier le champ électrique et donc le courant de la décharge.
δes configurations en dents de scie quant à elles dissipent moins d’énergie par rapport à celle à
électrode plane. Cette différence est également due à la morphologie de la décharge qui prend
naissance au niveau des pointes de l’électrode uniquement. δe nombre de streamers étant limités par le nombre de pointes, le courant de décharge est plus faible, et l’énergie aussi. . En effet, l’augmentation du nombre de pointes en diminuant l’intervalle entre les pics de 20 mm à 10 mm pour la même longueur entraine une augmentation du nombre de streamers, et donc de l’énergie.
A
G40 G40
Gr
B
C
D
16 kV
Pet 0 kV
DC16 kV
Pet -16 kV
DC16 kV
Pet -20 kV
DCFigure I-50 : Décharge générée par une configuration à électrode de masse rainurée (A), pour VP =
77
4.6 Conclusion
Cette étude expérimentale a été effectuée dans le but de caractériser la SL-DBD nanoseconde.
C’est un plasma de surface généré dans l’air par des décharges impulsionnelles de quelques dizaines de nanosecondes pouvant s’étendre sur une large surface, grâce à une contre électrode
active reliée à une tension continue négative. Les observations faites par analyse comparative de ses caractéristiques électriques et optiques avec celles de la décharge nanoseconde conventionnelle (NS-DBD), se révèlent intéressantes.
δ’analyse des mesures électriques révèle que l’énergie dissipée par cette décharge augmente
considérablement par rapport à celle de la NS-DBD dont l’évolution en fonction de la tension pulsée est observée suivant une loi puissance de la forme C×(V-V0)² jusqu’à une valeur maximale
de 0.45 mJ/cm environ pour VP = 20 kV. Cette augmentation de l’énergie, due à la tension
continue négative appliquée à la contre électrode active et pouvant atteindre 300%, n’est possible que lorsque la décharge glissante est générée. La génération de la décharge glissante ne dépend ni de la tension pulsée, ni de la tension continue mais plutôt de la différence de potentiel et du champ électrique moyen entre les électrodes actives (1) et (3).
δes visualisations par imagerie iCCD des différentes décharges ont confirmé qu’un champ
électrique minimum de 6.5 kV/cm est nécessaire pour générer la SL-DBD. Les images intensifiées des décharges NS-DBD et SL-DBD ont également révélé la nature filamentaire des
10 15 20 25 30 35 40 0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4 Energie total e (mJ/c m) VPD (kV) Electrode (1) Plane Electrode (1) Filaire
Electrode (1) en dents de scie (10 mm) Electrode (1) en dents de scie (20 mm)
VP fixée à 14 kV
Figure I-51 : Comparaison de l’énergie pour les configurations où l’électrode est plane, en dents de scie, ou en fil
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canaux ionisés dont l’intensité lumineuse des streamers augmente avec le champ électrique
régnant à la surface du diélectrique.
La bonne reproductibilité des différentes grandeurs électriques ainsi que leur sensibilité vis-à-vis des décharges montre que la décharge glissante établie sur une large surface (SL-DBD) pourrait
être d’un grand intérêt en métrologie des fluides en tant que capteur. Ceci sera développé dans la
deuxième partie du manuscrit. Elles pourraient être également très utiles dans les domaines de
traitement de surface ou de dépollution, étant donné l’étendue de surface qu’elles peuvent couvrir. Et en ce qui concerne le contrôle d’écoulement, ces décharges pourraient être plus
efficaces si l’on se réfère uniquement à la quantité d’énergie déposée qui porte à croire que la
topologie et l’intensité de l’onde de pression générée par ces décharges pulsées seraient impactées. δe chapitre suivant propose donc de caractériser le lien entre l’énergie déposée et l’intensité de l’onde de pression générée par les différentes décharges.
79
Chapitre 5 :
Caractérisation optique et mécanique
de l’onde de pression générée par les
80
5
Caractérisation optique et mécanique de l’onde
de pression générée par les décharges NS-DBD
et SL-DBD
5.1 Introduction
Ce chapitre est consacré à la caractérisation optique et mécanique de l’onde de pression générée par les décharges NS-DBD et SL-DBD. Les images présentées et analysées ici ont été obtenues grâce au banc Schlieren illustré par la Figure I-16. Elles permettent de visualiser la topologie de
l’onde de pression se développant au-dessus de la décharge. Afin de quantifier leur intensité ainsi
que leur distribution spatiale à la surface de l’actionneur, un dispositif de mesure de pression, décrit à la section 2.5 (Figure I-17), permet de réaliser des mesures locales du gradient de pression généré par la décharge.