MODELING INDUCED PHENOMENA BY A HIGHLY LOCALIZED INJECTION ENERGY IN A LIQUID

MODÉLISATION DES PHÉNOMÈNES INDUITS PAR UNE INJECTION FORTEMENT LOCALISÉE D'ÉNERGIE DANS UN LIQUIDE

Frédéric Aitken (1)

1 G2ELab - Laboratoire de Génie Electrique de Grenoble

This work is a fheoretical study of certain predisruptive phenomena in liquids which lead to the formation of a gas bubble. The séries of events experimentally observed to occur when a dielectric liquid is stressed by enough electric field (some kV/cm) is as follows: an électron avalanche occurs in the liquid with the conséquent formation of a cold plasma. This plasma emits light. A shock wave is then seen to form and propagate outwards with a gaseous cavity growing in its wake. This bubble appears for ail values of the applied hydrostatic pressure P„, including those above the critical pressure. In the model developed hère the électron avalanche is replaced by the équivalent electrical energy injected into the System, Wj. Close examination of this non-equilibrium thermodynamic System has lead to the formulation of a new phase transition term separate from the usual latent heat of vaporisation. Assuming Gaussian distributions for both température and pressure within the plasma volume %, expressions are extracted for ail the characteristic parameters of the plasma, the shock wave and the bubble. The model only requires information on the nature of the liquid, the injected energy and the plasma volume. Comparison of the model results with observed values taken from both electrical prebreakdown and laser breakdown experiments shows good agreement. In particular. the dynamic régime of the bubble can be predicted, i.e. with or without rebounds.

Ce travail présente une étude théorique des phénomènes prédisruptifs dans les liquides, menant à la formation d'une bulJe de gaz. En effet, lorsqu'un liquide diélectrique est soumis à un champ électrique suffisamment intense (quelques MV/cm), on observe expérimentalement les événements dans l'ordre chronologique suivant: déclenchement d'une avalanche électronique suivi de la formation d'un plasma froid avec émission de lumière, puis émission d'une onde de choc et enfin formation d'une cavité gazeuse; cette bulle est observée quelle que soit la pression hydrostatique P„=, appliquée sur le liquide, P„ étant inférieure ou supérieure à la pression critique. La modélisation que nous avons donc développée consiste à remplacer l'avalanche électronique par une énergie électrique injectée W,. Le bilan d'énergie effectué pour le plasma de volume %, qui est un système thermodynamique hors équilibre, a permis de mettre en évidence un nouveau terme de transition de phase, différent du terme de chaleur latente de vaporisation. En considérant ensuite une distribution gaussienne de pression et de température dans %, on en déduit l'expression de toutes les grandeurs caractéristiques du plasma, de l'onde de choc et de la bulle. Le modèle ainsi développé requiert seulement la connaissance des caractéristiques du liquide, de l'énergie injectée W; et du volume^ La confrontation du modèle avec les grandeurs observables dans les expériences de préclaquage électrique et de claquage laser a montré un accord satisfaisant; notamment, on arrive à prévoir le régime dynamique de la bulle (avec ou sans rebonds).

Mots clés: Liquids; Preclawing; Shockwave; Cavitation; Laser Slamming; Phase Transition

Mots clés: Liquides; Préclaquage; Onde de choc; Claquage laser; Transition de phase

Domaines: Physique [physics]

Frédéric Aitken. MODÉLISATION DES PHÉNOMÈNES INDUITS PAR UNE INJECTION FORTEMENT LOCALISÉE D'ÉNERGIE DANS UN LIQUIDE . Physique [physics]. Institut National Polytechnique Grenoble (INPG), 1998. Français. ⟨NNT : ⟩. ⟨tel-01680177⟩