Modélisation de la synthèse réactive de poudres ultrafines dans un réacteur a plasma thermique

Abstract

La présente thèse s'inscrit dans le cadre de la modélisation mathématique des écoulements à plasmas thermiques inertes et réactifs. Elle vise plus précisément à combler les lacunes des modèles existants en portant une attention particulière aux phénomènes de transport multicomposant et à la prédiction des transformations chimiques. Pour répondre à ces attentes et ainsi poursuivre le développement dans ce domaine, un modèle global a été développé. Il combine la résolution d'équations conservatives pour la masse, l'énergie et le momentum. La génération d'un plasma inductif (h.f) y est traitée au moyen d'équations représentant les champs électromagnétiques. La nucléation et la croissance de poudres ultrafines sont incluses dans le modèle via l'analyse des principaux moments de la distribution des tailles de particules. Enfin, tous les phénomènes physico-chimiques d'importance dans un milieu comme les plasmas thermiques, de même que leurs interactions, sont considérés. Le modèle est appliqué ici à l'analyse de trois problématiques différentes et complémentaires. La première concerne l'étude du mélange gazeux d'un jet froid (He, N₂ ou O₂), injecté au coeur d'une décharge d'argon/hydrogène ou d'argon/oxygène. La comparaison des prédictions du modèle avec des mesures expérimentales obtenues par une sonde enthalpique permet une validation partielle de ce dernier. La deuxième problématique a trait à l'étude numérique de la pyrolyse du méthane en réacteur à plasma h.f. Elle met en évidence les difficultés de convergence de la méthode numérique lorsque appliquée [i.e. lorsqu'appliquée] à la résolution d'écoulements réactifs à haute température. Finalement, le dernier sujet abordé dans cette thèse, soit l'analyse systématique des principales conditions d'opération d'un réacteur h.f utilisé pour la synthèse réactive de poudres ultrafines de silicium, engage tous les élements [i.e. éléments] théoriques du modèle. Il implique en effet la décomposition thermique d'un précurseur gazeux, le tétrachlorure de silicium, la diffusion multicomposante des espèces impliquées dans le mécanisme réactionnel et la nucléation homogène de même que la croissance de particules de silicium.