Soutenance de thèse de Nicolas GODINAUD

Ce travail est axé sur la découpe par torche au plasma. Ce procédé industriel permet de couper des plaques de métaux au moyen d’un arc électrique qui est transféré sur les pièces à séparer. Par le gaz injecté à fort débit, ces torches de découpe produisent des jets de plasma supersoniques sous-détendus qui atteignent des températures pouvant dépasser 30 kK. Les zones des pièces métalliques impactées par ces jets chauds entrent ainsi en fusion et les forces inertielles importantes conduisent à l’expulsion du métal liquide vers l’extérieur des pièces, créant alors des saignées de découpe. Les pressions de gaz injectées dans les torches de découpe plasma récentes étant de plus en plus élevées (jusqu’à plus de 10 atmosphères), il est important de caractériser au mieux les effets liés à l’aspect supersonique et aux ondes de choc sur les jets de découpe. Dans le cadre de cette étude des jets de plasmas supersoniques, un nouveau solveur numérique permettant de capturer les ondes de choc avec précision est présenté. Le solveur développé est basé sur un schéma volumes finis de type Godunov, adapté à la simulation d’écoulements supersoniques. Les résultats numériques ainsi obtenus sont comparés à ceux déterminés à partir des solveurs présentés dans la littérature pour la modélisation des plasmas de découpe. Ces comparaisons sont d’abord un moyen de validation de l’outil développé, mais elles mettent également en avant une bien meilleure capacité du nouveau solveur à capturer les ondes de chocs présentes dans les jets de découpe pour des nombres de Mach élevés. Des mesures expérimentales sur une torche plasma ont également été effectuées au cours de ce travail. Celle-ci sont comparées aux résultats de simulations réalisées avec le nouveau solveur sur une configuration de torche similaire. Outre l’apport de nouveaux éléments de validation du solveur, ces comparaisons entre résultats numériques et expérimentaux permettent aussi de mieux décrire la structure de l’écoulement à l’intérieur de la torche plasma.

This study is focused on plasma arc cutting of metal pieces. This industrial process allows the cutting of electrically conductive materials by means of an electric arc transfered between a plasma torch and a workpiece. Because of the high flow rate gas injection, the plasma torche produces an underexpanded supersonic plasma jet that reaches temperatures over 30~kK. The area of the workpiece impacted by the jet is melted and the high inertial forces cause the expulsion of the liquid metal out of the pieces, creating kerfs. With the increasing pressures of the gas injected in the current plasma cutting torches, a thorough investigation is required regarding the effects of the supersonic aspect and the shock waves on the cutting jets. For this purpose, a new numerical solver is introduced, allowing an accurate capture of shock waves in plasma cutting jets. This solver is based on a Godunov-type finite volume scheme which is adapted to supersonic flows simulations. The numerical results obtained with this new method are compared to those determined with other solvers presented in the litterature for plasma cutting modelling. These comparisons are used to validate the developed tool and they also show that the new solver is able to improve the capture of shocks for high Mach number plasma flows. Experimental measurments have also been carried out during this study. The experimental results are compared to the numerical results computed on a similar plasma cutting torch configuration. In addition to providing new elements for the validation of the solver, these comparisons between numerical and experimental results allow a better description of the flow's structure inside the plasma torch.