Résultats du modèle avec les électrodes parallèles

Le modèle MHD a été mis en œuvre avec succès et simule automatiquement l'allumage, l'extinction et le mouvement des arcs autour des trois électrodes. L'arc tourne en passant d'une paire d'électrodes à une autre, trois fois par période, donc avec une fréquence qui est le double de celle de l'alimentation électrique. Les résultats montrent néanmoins un comportement différent des arcs que dans les cas analysés précédemment (Figure 107). Dans ce cas, les arcs sont dirigés vers la sortie de l’écoulement et sont en dehors de l’espace inter-électrodes. L’allongement des arcs est donc nettement plus important que dans le cas coplanaire. Ainsi, le mouvement des arcs est fortement influencé par (i) les forces hydrodynamiques des jets aux électrodes en périphérie des électrodes et (ii) par les forces magnétiques (forces de Lorentz) dans la colonne d’arc qui relie les deux jets. On observe par ailleurs que plusieurs arcs peuvent subsister en même temps.

Figure 107 Arcs représentés par une isosurface de température à 10 00 K (en orange)obtenus

avec la configuration avec des électrodes parallèles

Afin de déterminer la validité de ce modèle, des comparaisons du comportement des arcs obtenu avec la modélisation et le comportement de l’arc observé à la caméra rapide ont été effectuées. L’analyse expérimentale a été réalisée à l'aide de la caméra vidéo iSpeed Olympus FS à haute vitesse. La vitesse d’acquisition est maintenant de 50 000 images par seconde et 20 s de temps d'exposition afin d’augmenter la résolution de l’image vu que le déplacement des arcs se fait sur une plus grande distance. La résolution est maintenant de 180x132 pixels sur les images brutes enregistrées avec la caméra. Cette caméra est située à une distance optique d’environ 2 m de l’axe des électrodes. Des expériences ont été réalisées pour un courant efficace de ligne entre 150 à 200 A et un débit d’azote de 3,82 Nm3.h-1. Plusieurs filtres optiques ont été utilisés afin d'ajuster la luminosité de l'image.

Les séquences vidéo obtenues avec la caméra à haute vitesse montrent que la décharge triphasée est fortement erratique (Figure 108). Visuellement, on observe la normale à la surface des pieds d’arcs dans cette configuration donnant des électrodes plus émissives que les études précédentes. Les arcs sortent de l’espace inter-électrodes sur une distance radiale d’environ 25 mm. La formation de 6 arcs par période est en partie vérifiée bien que le système soit parfois déséquilibré.

145 .

Figure 108 Images extraites de séquences de film à 50 000 images par secondes sur plus d’une

période de la tension sur une phase (1,5 ms) pour la configuration avec des électrodes inclinées de

15° par rapport à l’axe du réacteur.

Les résultats du modèle mettent en évidence ce comportement. Le domaine de calcul de se modèle se réfère néanmoins à une géométrie légèrement différente de celle expérimentale avec des électrodes convergentes d’un angle de 20° avec l’axe central de la torche. En raison de problème sur le maillage de cette configuration des électrodes, nous avons considéré trois électrodes parallèles (Figure 105). σous supposons que cette modification n’a pas une influence significative sur le comportement de la décharge d’arc. Cependant, le comportement chaotique de la décharge ne peut pas être entièrement reproduit par la simulation. Celui-ci est néanmoins en partie simulé et a donc été analysé. De plus, le mouvement des arcs observés avec la caméra rapide se fait par une vue de dessous de l’espace inter- électrodes. Les résultats numériques montrent des formes similaires des arcs mais avec une vue en 3D dans toutes les directions de l’espace

La comparaison des résultats obtenus avec la camera à haute vitesse et les résultats obtenus avec le modèle MHD est exposée sur la Figure 109. Cette figure montre la décomposition des arcs dans une vue en projection de l’espace inter-électrodes. Les images ont été corrélées avec les résultats numériques. Ces résultats numériques ont été obtenus avec une forme sinusoïdale sur la tension et un courant crête imposé à 400 Acrête, ce qui donne une valeur efficace du courant aux alentours de

200 ARMS. Dans le dispositif expérimental, le courant efficace est autour de 150-200 ARMS et la forme

du signal de tension est alternative et continue par morceaux (signal de sortie d’un redresseur hacheur redresseur triphasé). Comme démontré précédemment, la forme du signal de tension n’a pas une influence significative sur la forme du courant.

Pour rappel afin d’initialiser la simulation, une zone chaude à 6 000 K est insérée entre les trois électrodes et le courant crête est incrémenté pendant 0,75 ms de 5 à 400 Acrête. Avec l'augmentation du

courant imposé, la zone chaude se déplace vers la sortie de la torche. En effet, la vitesse de la zone chaude est plus rapide que la vitesse de l'écoulement du gaz environnant. La température dans cette zone chaude reste au-dessus de 5 000 K, ce qui est une zone privilégiée pour la décharge d'arc. Une fois que les pieds d’arc et la zone chaude atteignent le bout des électrodes, la courbure des arcs augmente. Cette courbure est en partie provoquée par la direction des jets aux électrodes. Ceux-ci vont suivre la direction normale au bout de l’électrode. La répulsion magnétique entre les jets aux

146 électrodes va aussi contribuer à écarter les pieds d’arc. Ce comportement particulier des arcs a déjà été suggéré et estimé par Ravary et al. L'interaction des 3 courants circulant dans les électrodes et dans les arcs induit une répulsion magnétique avec une rotation des pieds d'arc menant à un mouvement global centrifuge de l'arc (Figure 112). En outre, ce mouvement global de l'arc avec une direction centrifuge a également été suggéré et estimé dans d'autres études pour les fours à arcs électriques [Bermudez et al. 1999, Larsen 1996]. Bien que les arcs de la torche plasma triphasée ne soient pas transférés sur une zone mise au neutre, ce système a quelques similitudes avec ces fours à arcs.

Ainsi, l'arc va avoir un mouvement centrifuge à l’espace inter-électrodes, comme indiqué sur la Figure 109 à t = 1,46 ms. Cette forme des arcs est atteinte à environ 1-1,5 ms, ce qui correspond à la fin de l'incrémentation du courant ou une période. La forme des arcs est donc principalement influencée par l’équilibre des forces magnétiques autour des colonnes d’arc plutôt que par les forces aérodynamiques des gaz plasma. Les arcs sont ensuite, à t = 1,98 ms, caractérisés par une forme particulière en ‘U’ avec deux jets de vapeur aux électrodes. Le débit massique émanant de chaque jet est dirigé suivant la sortie et suivant la normale de la surface de l’extrémité de son électrode associée. Avec l’élongation de la colonne d'arc, la tension de phase augmente. Le gradient du potentiel électrique entre les deux jets va augmenter, amorçant ainsi une nouvelle colonne d'arc entre ces deux jets, ce qui diminue la tension de phase, comme illustré à t = 2,02 ms et sur la Figure 110.

Figure 109 Comparaison des formes d'arc, affiché par une isosurface de température de 10 000 K

et les canaux chauds sont affichés par une isosurface de température à 5 000 K, avec la séquence vidéo des arcs obtenue avec la caméra rapide par une vue de dessous de l'espace inter-électrodes à 200A RMS.

147 Avec la rotation du champ électrique entre les 3 électrodes, la tension de ligne augmente afin de maintenir l'arc. Le gradient du potentiel électrique avec l’électrode inactive va ainsi augmenter. Un nouvel arc s'amorce dans un canal chaud, lié à la position d’un ancien arc. Dans ce canal chaud, la conductivité électrique est plus importante donnant un gradient du potentiel électrique plus élevé. Par une vue de face de l’arc montré sur la Figure 110, une partie de l’ancienne colonne d’arc s'éteint et la décharge d'arc reste majoritairement dans l'autre partie de cette colonne. Par la suite, une partie de la colonne d'arc traverse un ancien canal chaud et les arcs s'amorcent sur ce canal. Donc, le mouvement de l'arc autour de l’électrode à vide améliore la décharge d’arc triphasée. La position des nouveaux pieds d’arc modifie la forme des arcs. Différentes formes ont ainsi été observées, comme le montre la Figure 109 et par une vue de face sur la Figure 110. Ces formes modifient la position des canaux chauds qui contribue à produire ces formes erratiques des arcs.

La tension sur chaque phase est représentée sur la Figure 110 par des couleurs liées à l’échelle de couleur des tensions. Des différences de phase entre le courant et la tension de ligne sont observées. Bien que la séquence exposée ne soit pas réellement représentative de l’intégrité de la décharge. Ce retard sur l’amorçage des arcs fait que l'arc ne suit pas réellement le maximum des tensions composées. Le gradient du potentiel électrique entre la colonne d’arc et l'électrode à vide est alors un paramètre clef sur le comportement de la décharge d’arc triphasée. Ce gradient a été estimé autour de 1.106 à 1.107 V.m-1 lorsque l’allongement des arcs est conséquent alors qu’il était autour de 1.105 - 1.106 V.m-1 au moment de l’initialisation (< 1,η ms)

Figure 110 Formes des arcs obtenue avec la modélisation MHD, affichée sur une vue de face par

une isosurface de température à 8 000 K et les canaux chauds sont représentés par une isosurface de température à 5 000 K. Les électrodes sont coloriées par la valeur du potentiel électrique, ce potentiel représentée a été limité à +200 V pour avoir une meilleur visibilité du fonctionnement de la décharge.

148 Par ailleurs, un comportement asymétrique de la décharge triphasée a parfois été observée avec la camera rapide. Dans ce cas, la colonne d'arc ne traverse pas la zone périphérique à l’'électrode sans arc. Ce comportement a été reproduit par la simulation comme représenté sur l'image à l'instant t = 3,28 ms ou sur la Figure 111. L’arc est dirigé vers les parois de la torche. La température au niveau de l'espace inter-électrodes diminue. La conductivité électrique devient insuffisante pour déclencher un nouvel arc avec l'autre électrode. Ce point justifie et met en évidence la caractéristique essentielle du mouvement des canaux chauds à proximité de l'espace inter-électrodes sur la stabilité de la décharge d’arc triphasée.

Figure 111Formes de l’arc lorsque le système triphasé est déséquilibré, l’arc est représenté par une isosurface de température à 8 000 K et les canaux chauds sont représentés par une isosurface de température à 5 000 K.

Pour résumer, les résultats expérimentaux obtenus avec la caméra haute vitesse montrent une assez bonne corrélation entre le comportement des arcs expérimental et celui simulé. Ces résultats mettent en évidence la forte influence du mouvement des arcs et des canaux chauds sur le fonctionnement du système triphasé. La chaleur contenue dans ces canaux à proximité de l'espace inter-électrodes contribue à l’apparition de nouveaux pieds d’arc en augmentant le gradient du potentiel électrique dans la zone proche de l’électrode sans arc. L’allumage de l'arc est alors principalement lié à ce mécanisme. Le mouvement de l'arc est quant à lui essentiellement influencé par les forces hydrodynamiques des jets aux électrodes ainsi que par les forces de Lorentz. Ces forces modifient la chaleur échangée dans le système. Dans la section suivante, l'influence du courant, du débit de gaz plasmagène et la configuration et la géométrie des électrodes sur le comportement de la décharge triphasée sont discutées.

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