Soutenance de doctorat d’Audren Dorval

Décharges sparks à l'interface de deux liquides non miscibles: diagnostics optiques et émulsification

L’objectif de cette thèse est de mieux comprendre la dynamique des décharges sparks produites dans les liquides, en particulier celles initiées à l’interface de deux liquides non miscibles. Des impulsions haute-tension de 20 kV sur 500 ns ont été appliquées à des électrodes proches d’une interface eau-heptane. Grâce à différents diagnostics électriques et optiques, nous avons analysé l’influence de cette interface sur le développement de la décharge. Dans un premier temps, nous avons montré qu’il était possible d’obtenir des sparks de plus de 6 mm avec une forte probabilité grâce à une amplification locale du champ électrique. L’imagerie optique avec une résolution temporelle à la nanoseconde a révélé la propagation du streamer positif (20-50 km/s) et sa transition en spark. Après contact avec la cathode, deux fronts d’ionisation de retour ont été identifiés : un « return streamer » (1000-4000 km/s) et un « filament » (150-600 km/s). L’imagerie par rayons X a ensuite permis de visualiser la transition entre le spark et la bulle de cavitation, un phénomène inaccessible avec les techniques optiques habituelles. Dans un second temps, des mesures de spectroscopie d’émission optique ont été réalisées sur des décharges produites d’abord dans l’eau, puis à l’interface eau-heptane. La densité électronique a été évaluée pour toutes les phases de la décharge avec une résolution temporelle de 5 ns via l’élargissement des raies atomiques, sauf juste après le claquage, où le continuum intense empêche leur observation. La modélisation de ce continuum par un corps noir n’a pas permis de reproduire fidèlement les données expérimentales, empêchant ainsi de conclure avec précision sur l’évolution temporelle de la température du plasma. Enfin, l’étude de l’effet des sparks sur le liquide a montré la formation d’une émulsion d’heptane dans l’eau lors de l’implosion de la bulle de cavitation. Cette émulsion, plus dense avec le nombre de décharges ou une énergie de décharge élevée, diminue la tension de claquage en introduisant de nombreuses discontinuités au niveau de la permittivité diélectrique et en renforçant localement l’intensité du champ électrique.