2D and 3D modeling of an unsteady gas flow stressed by corona discharges in a multi-point to plane reactor used for gas decontamination
Modélisation 2D et 3D d'un écoulement gazeux instationnaire activé par décharges couronne dans un réacteur multi-pointes plan dédié à la décontamination des gaz
Résumé
This thesis is dedicated to plasma reactors modeling and simulation using corona discharges for gases decontamination. These reactors are able to treat pollutants when they are present in very low concentrations (a few hundred ppm) in a gas mixture. However, each treatment requires specific studies of the reactor generally considered as a "black-box" which means that its efficiency is evaluated through global energy cost and input-output conversion rate. Indeed, the complex phenomena responsible of the pollutants transformation are spatially localized and strongly unsteady. They are therefore quasi inaccessible to experimental measurement. Thus, the goal of this thesis is to develop an efficient model able to follow and explain the reactive, energetic and hydrodynamic processes occurring in the filamentary discharges and which progressively extend to the entire reactor volume. This type of modeling will be useful in designing future reactors and also in minimizing the development costs. The thesis is divided into five main chapters in addition to the general introduction and the conclusion. The first chapter describes the main features of corona discharges like streamers at atmospheric pressure and all the energetic, hydrodynamics and kinetics phenomena that are generated by their passage. The second chapter presents the discharge and the reactive flow model equations. The latter is modeled by reactive fluid mixture equations coupled with the energy conservation equation of vibrational excited states. A state of the art of the corona reactor modeling is presented followed by a description of the FLUENT software, which has been chosen in order to solve equations of our model. Chapter 3 is dedicated to validate the model and the discharge-gas coupling in a 2D geometry. The simulation conditions are those of an experimental configuration of a mono-tip to plane reactor developed in the group and working with synthetic air under ambient conditions of temperature and pressure. The source terms injected during each periodic passage of the discharges are estimated from a validated simulation of the primary and secondary streamers development. The flow simulation involves 10 chemical species (including nitrogen and oxygen metastable states) reacting following 23 reactions. The obtained results allowed to validate the source terms injection and to follow in detail the gas temperature and chemical species evolutions in function of the flow type (laminar or turbulent), its orientation and the number of discharge crossing the gas. Chapter 4 concerns the 2D simulation of a multi-tip to plane reactor (up to 10 tips) until 10ms with a discharge repetition frequency equal to 10 kHz. The simulations allow to explain and follow in detail the ozone formation and the transformation of a chosen pollutant (nitrogen oxide NO) in function of the number of tips and the flow properties. The final chapter shows the first results obtained for a 3D geometry in the case of mono and multi-tip to plane.
Cette thèse est dédiée à la modélisation des réacteurs plasmas utilisant des décharges électriques de type couronne pour la décontamination des gaz. Ces réacteurs ont notamment la possibilité de traiter les agents polluants lorsqu'ils sont présents en très faible concentration (quelques centaines de ppm) dans un mélange gazeux. Cependant, chaque traitement demande des paramétrages spécifiques du réacteur qui est le plus souvent étudié en " boîte-noire " c'est-à-dire en bilan énergétique moyen et en taux de conversion entrée-sortie. En effet, les phénomènes in situ à l'origine de la transformation des polluants sont très localisés et fortement instationnaires. Ils sont donc quasiment inaccessibles à la mesure expérimentale. Ainsi, le but de cette thèse est la mise au point d'une simulation performante, capable d'expliquer les processus réactifs, énergétiques et hydrodynamiques qui prennent naissance dans les canaux filamentaires des décharges et qui s'étendent progressivement à l'ensemble du volume du réacteur. Ce type de modélisation permettra à l'avenir d'aider au design des réacteurs et de minimiser leurs coûts de développement. La thèse est découpée en 5 chapitres principaux en plus de l'introduction et de la conclusion générale. Le premier chapitre décrit les principales caractéristiques des décharges couronne de type streamer à la pression atmosphérique ainsi que l'ensemble des phénomènes énergétiques, hydrodynamiques et cinétiques qui sont activés par leur passage. Le second chapitre présente les équations des modèles de la décharge et de l'écoulement réactif. Ce dernier est modélisé par les équations fluides d'un mélange réactif couplé avec l'équation de conservation de l'énergie des états vibrationnels. Un état de l'art de la modélisation des réacteurs corona est présenté suivi de la description du logiciel FLUENT choisi pour résoudre le système d'équations du modèle développé. Le chapitre 3 est dédié à la validation du modèle et des couplages décharge-gaz dans une configuration géométrique 2D. Les conditions de simulation sont celles d'une configuration expérimentale d'un réacteur mono-pointe plan développé dans le groupe et fonctionnant avec de l'air synthétique dans les conditions ambiantes de température et de pression. Les termes sources permettant de prendre en compte le passage périodique des décharges sont estimés à partir d'une simulation validée du développement des primary et secondary streamers. La simulation de l'écoulement prend en compte 10 espèces chimiques (dont les états métastables de la molécule d'azote et d'oxygène) réagissant selon 23 réactions. Les résultats ont permis de valider la procédure d'intégration des termes sources et de suivre en détail les variations de la température du gaz et des espèces chimiques en fonction du type d'écoulement (laminaire ou turbulent), de son orientation et du nombre de décharge traversant le gaz. Le chapitre 4 concerne la simulation 2D d'un réacteur multi-pointes-plan (jusqu'à 10 pointes) sur des durées allant jusqu'à 10ms avec une fréquence de répétition des décharges de 10kHz. Les simulations réalisées permettent de suivre et d'expliquer en détail la formation d'ozone puis la transformation d'un polluant test (de l'oxyde d'azote NO) en fonction du nombre de pointes en activité et des propriétés de l'écoulement. Enfin, le dernier chapitre montre les premiers résultats obtenus en 3D dans un cas mono-pointe et multi-pointe-plan.
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