Vers une modelisation mathematique du comportement du plasma d'arc dans le procede de refusion a l'arc sous vide

摘要

La modelisation presentee dans cet article avait pour objet la description complete de la colonne de plasma generee par un cluster de micro-spots cathodiques. Cette modelisation combine deux approches, l'une cinetique et l'autre hydrodynamique. Le modele cinetique rend compte des processus d'ionisation et de recombinaison des particules de vapeur metallique, conduisant a la formation du plasma dans la region cathodique. Le modele hydrodynamique a deux fluides decrit, dans une geometrie tridimensionnelle, l'expansion du plasma dans le vide au sein de l'espace interelectrode. Par ailleurs, nous avons defini une methode de calcul simplifiee de la densite de courant electrique et de la densite de flux d'energie transmises par le plasma a l'anode. Les resultats de la simulation numerique, appliquee au cas d'un cluster fonctionnant entre deux electrodes de zirconium, restituent correctement les phenomenes importants regissant la creation et l'ecoulement du plasma et sont coherents avec un certain nombre de resultats de la litterature. En particulier, le modele predit un pourcentage de la puissance electrique du cluster transmis par le jet de plasma a l'anode (25 percent) en bon accord avec la valeur obtenue dans la litterature. Plusieurs ameliorations futures du modele d'un cluster peuvent etre envisagees : Il serait necessaire de prendre en compte l'effet des forces electromagnetiques de Lorentz, creees par le champ magnetique propre de l'arc ou par un champ magnetique d'origine exterieure, sur l'expansion du plasma. Il conviendrait de resoudre l'equation de transport de quantite de mouvement des electrons au sein de la region d'expansion, afin de s'affranchir de l'hypothese forte considerant le rapport des courants electronique et ionique constant en tout point du jet de plasma. Une modelisation fine, de type cinetique, de la region anodique permettrait de determiner de maniere plus rigoureuse les conditions aux limites a la frontiere entre la region d'expansion et la region anodique a imposer aux equations qui regissent les grandeurs caracteristiques de l'ecoulement des electrons. Afin de parvenir a la modelisation complete de l'arc electrique du four VAR, il reste a prendre en compte le mouvement de l'ensemble des clusters a la surface de la cathode. Ce dernier point fait l'objet d'une modelisation en cours de developpement, qui s'appuie sur une etude experimentale approfondie du deplacement des clusters sous differentes conditions operatoires de refusion.