Domaines d’existence des trois régimes en fonction de la polarité

L’existence de 3 régimes a été caractérisée à l’aide de la tuyère de référence (figure 3.1) dans la configuration anode-pointe ([4], [121], [54]). En fonctionnement à l’air, les domaines d’existence de ces régimes sont délimités en fonction du débit de gaz et de l’intensité du courant. Nous rappelons ceux-ci dans la figure 3.5. Au fur et à mesure que le courant augmente, nous passons d’un régime filamentaire (ou confiné) à un ré- gime glidarc puis quasi-continu : l’arc électrique reçoit de plus en plus de puissance ; il est donc moins refroidi par le gaz environnant et s’étire. L’effet du refroidissement est aussi observé lorsque l’on augmente le débit d’air à courant constant.

FIG. 3.5: Domaines d’existence des trois régimes en configuration anode-pointe [4]

dans l’air. Tuyère de référence

Nous retrouvons ces trois régimes en configuration cathode-pointe (voir figure 3.6). Nous remarquons que la transition entre le régime filamentaire et le régime gli- darc a lieu dans des conditions relativement similaires quel que soit le mode de pola-

3.2 Étude du mode de polarité du système de décharge

rité choisi (voir figure précédente). Le domaine d’existence du régime quasi-continu est toutefois plus restreint dans le cas cathode-pointe. De plus, nous observons un changement de l’aspect de la zone d’extinction du plasma dans le régime glidarc vers 2.5 Nm3

/h (Re = 4000) : on passe d’un aspect « jet » à un aspect « disque », c’est-à-dire d’un régime laminaire vers un régime plus turbulent. Enfin, au-dessus de 4 Nm3_{/h, le} domaine d’existence du régime glidarc est quasiment inexistant (transition très ra- pide d’un régime filamentaire vers un régime quasi-continu).

FIG. 3.6: Domaines d’existence des quatre régimes en configuration cathode-pointe. Tuyère de référence

Dans la configuration cathode-pointe avec la tuyère de référence, il est donc pos- sible d’identifier 4 régimes caractérisés par la valeur de l’intensité du courant injecté, le débit de gaz et l’écoulement :

• Régime Confiné - l’arc ne trouve pas de point d’accroche stable à l’intérieur

de la tuyère (faible courant),

• Glidarc en configuration Jet - l’arc glisse dans la tuyère et on observe un plu-

meau sous la forme d’un jet en sortie de tuyère (faible débit, régime laminaire),

• Glidarc en configuration Front plat - l’arc glisse dans la tuyère et on observe

un front plat en sortie de tuyère. La turbulence semble jouer un rôle important pour « coller » la partie anodique de l’arc (débit plus important),

• Quasi-continu en configuration Front plat - on observe un régime quasi-con-

tinu. La traînée de l’arc est plus forte (débit très important).

Nous avons enfin cherché à agrandir le domaine d’existence du régime quasi- continu dans la configuration cathode-pointe en jouant sur la géométrie de la tuyère. Alors que la réduction de diamètre n’a eu comme effet que l’augmentation de la fré- quence de glissement en régime glidarc, le fait de diminuer la longueur de tuyère a permis un passage du régime glidarc vers le régime quasi-continu (courant injecté égal à 500 mA) pour un débit d’air situé vers 2.25 Nm3_{/h pour L = 70 mm, au lieu de} 3.5 Nm3_{/h pour L = 100 mm. Les forces de traînée nécessaires pour effectuer la tran-} sition entre les deux régimes sont donc moins importantes si la longueur de la tuyère est plus faible.

3.2.2 Autres aspects de la comparaison entre les deux modes de polarité

L’augmentation du débit de gaz entraîne deux effets opposés : d’un côté, le phé- nomène de convection forcée devient plus important, l’arc est plus refroidi et donc sa longueur diminue ; de l’autre, les efforts de traînée s’accentuent, l’arc est plus « pous- sé » et il s’allonge. Si l’effet thermique semble prédominer en configuration anode- pointe (pentes à dérivée positive sur la figure 3.5), l’effet de la traînée est lui plus im- portant en configuration cathode-pointe, notamment lors de la transition entre les régimes glidarc et quasi-continu.

La présence d’un convergent-divergent à l’extrémité de la tuyère (rétrécissement observé pour le paramètre (D) de la figure 3.1) est une condition nécessaire pour l’ob- tention d’un régime quasi-continu en configuration cathode-pointe, ce qui n’est pas le cas dans la configuration anode-pointe, où le régime est observé avec une sec- tion droite (diamètre constant) dès que l’intensité du courant est suffisante. Le cas échéant, seul le régime glidarc est atteint. La figure 3.7 illustre l’influence de ce pa- ramètre géométrique en configuration cathode-pointe, à l’aide d’une tuyère de lon- gueur 70 mm et à courant constant (500 mA).

FIG. 3.7: Influence de la présence du convergent sur les valeurs de tension, en polarité

cathode-pointe. Rouge : tensions mini ; Bleu : tensions moy ; Vert : tensions max. Traits continus : section droite. Symboles : convergent-divergent. Lon- gueur tuyère : 70 mm, I = 500 mA

Les symboles décrivent l’influence du débit d’air sur les tensions mini, moyennes et maxi dans le cas de la présence d’un convergent-divergent ; les traits continus font référence au cas opposé. En dessous d’un débit de 2.25 Nm3_{/h, toutes les valeurs de} tension sont similaires. Nous sommes en régime glidarc. Le pied de l’arc oscille entre la zone proche de l’électrode pointe (tension mini) et l’extrémité de la tuyère (ten- sion maxi). Une fois la transition vers le régime quasi-continu effectuée, les tensions maximales observées pour les deux cas restent similaires (l’arc ne peut aller, de toute façon, au delà de l’extrémité de la tuyère), par contre les tensions mini du régime quasi-continu prennent une valeur égale à la tension moyenne du régime glidarc.

3.3 Étude de la géométrie de l’électrode cylindrique

En configuration cathode-pointe, l’électrode pointe devient émettrice d’électrons et reçoit en contrepartie un bombardement ionique concentré sur une surface faible (environ 3 mm2_{). En conséquence, la surface de l’électrode chauffe et l’électrode su-} bit une détérioration (voir photographie 3.8). À l’inverse, le mode de polarité anode- pointe permet d’obtenir un bombardement ionique sur une surface plus importante (surface intérieure et extrémité de l’électrode cylindrique) et donc de limiter les risques de détérioration.

FIG. 3.8: Photographie de l’électrode pointe après utilisation en configuration cathode-

pointe

Notons enfin que l’influence du débit, de l’intensité du courant et de la pression sur les valeurs de tension est le même quel que soit le mode polarité.

En conclusion, la configuration anode-pointe présente deux intérêts majeurs : elle possède un domaine d’existence du régime quasi-continu plus large et limite la dé- térioration de l’électrode pointe. En conséquence, ce mode de polarité (« inversée ») est choisi dans la suite du chapitre et l’ensemble du mémoire de thèse.

3.3

Étude de la géométrie de l’électrode cylindrique

Dans cette partie, nous cherchons à caractériser la géométrie de la tuyère. Nous avons identifié 4 zones suivant lesquelles nous avons mené l’étude à partir de la tuyère de référence (voir figure 3.1). La décharge électrique s’amorce en amont de l’écoule- ment, dans la zone proche de l’électrode-pointe (E) où la distance inter-électrode est la plus faible. La longueur de tuyère (L) va déterminer l’étirement de la décharge. L’arc est stabilisé à l’intérieur de la tuyère à l’aide notamment de l’effet paroi : si le diamètre intérieur (D) est trop important, cet effet ne peut avoir lieu ; dans le cas contraire, le volume réactionnel est trop restreint. L’extrémité de la tuyère (C), enfin, a pour rôle de donner un point d’accroche à l’arc électrique, comme nous pouvons l’observer sur la tuyère de référence. Elle est aussi le siège de turbulences liées au changement de section entre la tuyère et la zone située en aval (post-réacteur).