Étude de l’interaction des plasmas hors-équilibre et des détonation : réduction de la largueur des cellules et longueur de transition.

La thèse présente une étude de l’interaction entre les plasmas froids nanosecondes et les ondes de combustion en vue d'améliorer la détonabilité de mélanges gazeux. Elle rapproche deux domaines de la physique aux échelles de temps caractéristiques différentes (nanoseconde vs. micro/milliseconde). Elle vise à démontrer l'existence d'un lien de causalité entre la pré-dissociation d’un mélange gazeux par plasma et la réduction des temps et longueur caractéristiques des réactions de combustion. Cette étude de l'effet du plasma sur la déflagration et la détonation est expérimentale et numérique. Après des rappels contextuels et des travaux antérieurs, nous donnons un bref résumé des phénoménologies de la détonation et de la déflagration dans les gaz et les deux définitions la détonabilité, soit, (1) la facilité pour la détonation à se propager dans des conditions données de confinement et (2) la rapidité avec laquelle la détonation s’établit à partir d’une flamme. La première est liée à la taille de la cellule de détonation caractérisant l'instabilité intrinsèque de sa zone de réaction établie. La deuxième est liée à la longueur de transition déflagration-détonation. Nous analysons également le plasma nanoseconde et son rôle dans la dissociation d’espèces dans un gaz. Nous proposons et testons un schéma cinétique, et sa procédure numérique, pour simuler l’effet du plasma dans un mélange combustible. Nous utilisons ces résultats de simulation comme paramètres initiaux d'un code de calcul de longueurs chimiques de la zone de réaction selon le modèle ZND de la détonation. Nous réalisons nos expériences dans des tubes de section carrée. Les méthodes de mesure sont l'imagerie ICCD, la strioscopie, la chimiluminescence, des enregistrements sur plaque à dépôt de carbone et des capteurs de pression dynamique, et un shunt avec courant de retour (BCS). Dans la série d'expériences à la cellule de détonation, nous démontrons que l’application d’un plasma nanoseconde devant un front de détonation établi diminue d'un facteur 2 la largeur des cellules de détonation de mélanges H2:O2:Ar, H2:O2, CH4:H2:O2:Ar et CH4:O2:AR à des pressions initiales entre 100 et 200 mbar. Dans la série d'expériences dédiée à la TDD, nous développons un système d’électrodes multi-canaux pour l’amorçage de la déflagration. Nous comparons la flamme qu’elle génère à celle issue d’une bougie d’allumage classique. La flamme induite par le plasma évolue vers le régime de détonation plus rapidement, à des distance plus courtes et à des pressions plus basses pour des mélanges H2:O2 à des pressions entre 200 mbar à 600 mbar. Pour les deux séries d’expériences nous avons caractérisé le plasma en portant une attention particulière à son efficacité (dépôt d’énergie et homogénéité) en fonction de la pression initiale. Nous démontrons ainsi une causalité entre plasma, temps d’induction chimique et détonabilité. Notre étude approfondit la compréhension du rôle des plasmas nanosecondes couplé aux ondes de combustion. Elle souligne l’intérêt de poursuivre cette approche nécessaire à la mise au point de dispositifs plasmas adaptés aux phénomènes de dynamique des détonations.Mots clés : Plasma nanoseconde, détonation, déflagration, détonabilité, temps d’induction chimique.