Mesures et modélisation d'un arc transféré de haute puissance

Abstract

Ce travail décrit une étude des champs d'écoulement et de température d'un arc de forte puissance (au maximum 1500 A) pour des longueurs d'arc relativement élevées (au maximum 200 mm). Des résultats de mesures expérimentales et de modélisation y sont présentées. Dans la partie expérimentale, la spectroscopie d'émission est utilisée comme moyen de diagnostic pour la détermination de la distribution de la température et de la densité électronique de la colonne d'arc entier. Des mesures détaillées ont aussi été faites dans le voisinage de la pointe de la cathode. La validation de l'hypothèse de l'équilibre thermodynamique locale (ETL) est discutée. Les influences du courant et de la longueur d'arc sur les champs de température sont étudiées. Les résultats expérimentaux sont utilisés pour valider les travaux de modélisation mathématique. Dans l'étude de modélisation, un modèle elliptique est développé pour calculer les champs de température et de vitesse. Les équations de conservations sont écrites pour des conditions d'ETL et pour un écoulement laminaire. Le système d'équations est solutionné par la méthode des différences finies. Le domaine de calcul est s'étende pour inclure l' anode de cuivre. Le transfert de chaleur de la colonne d'arc vers l'anode est considéré et la contribution des différents modes de transfert d'énergie sont discutés. Les résultats sont comparés avec la prédiction obtenue par un modèle simple basé sur un écoulement parabolique, reposant sur l'hypothèse de couche limite. Une bonne concordance est notée entre les champs de température obtenus autant par le modèle parabolique laminaire que par le modèle elliptique pour un arc de longueurs inférieure à 50 mm. Pour les arcs de longueurs élevées (supérieure à 50 mm), l'influence de la turbulence à la bordure de l'arc est étudiée à l'aide du modèle de longueur de mélange turbulent. Les résultats de la modélisation obtenue ainsi démontre un bonne concordance avec les données expérimentales. Globalement, le modèle turbulent semble procurer une meilleure prédiction des valeurs déterminées expérimentalement. Le modèle parabolique semble très utile pour représenter les arcs de grand puissance.