Étude expérimentale et modélisation de la dynamique spatiotemporelle de décharges nanosecondes impulsionnelles en contact avec l'eau
Cette thèse vise à mieux comprendre la physique des décharges électriques impulsionnelles produites dans l’air en contact avec une solution liquide. Des impulsions haute tension (amplitude 8 - 20 kV et largeur de 100 ns) sont appliquées à une pointe placée 10 – 1000 μm au-dessus de la solution. En utilisant des diagnostics électriques et de l’imagerie ICCD, l’influence de différents paramètres expérimentaux (distance pointe-liquide, amplitude et temps de montée de la tension, conductivité électrique et permittivité diélectrique de la solution) sur les propriétés de la décharge à la surface de la solution a été étudiée. Afin d’approfondir la physique de ces décharges, surtout la propagation à la surface du liquide, nous avons développé un modèle fluide 2D axisymétrique pour trois espèces : électrons, ions positifs et ions négatifs. Le modèle consiste à résoudre les équations de continuité ainsi que l’équation de Poisson tout en considérant la photo-ionisation. Nous avons démontré que les décharges se propageant à la surface sont de type streamer. Les résultats expérimentaux et ceux de la simulation montrent qu’une augmentation de la permittivité diélectrique induit une réduction de la tension de claquage et accélère l'initiation de la décharge, mais diminue la distance maximale de propagation à la surface de la solution. L’augmentation de la conductivité électrique a induit une production plus intense de charges à la surface de la solution et une réduction de la distance maximale de propagation. La polarité de la tension est également examinée, révélant des tendances similaires pour les décharges positives et négatives en termes de variation de permittivité et de conductivité. Cependant, la décharge négative se propage moins loin à la surface du liquide et ne permet pas la formation de filaments en raison d'une charge d’espace trop faible. Enfin, nous avons exploré la faisabilité d’un modèle fluide 3D tenant compte de la photo-ionisation stochastique. Le modèle a bien reproduit la formation de filaments dans le cas d'une polarité positive et une structure uniforme pour la polarité négative. Aussi, l'augmentation de la conductivité et de la distance pointe-liquide réduisent la vitesse de propagation de la décharge positive et peuvent l’arrêter avant la formation des filaments, comme observé expérimentalement.
