Modeling of electrical field modified by injected space charge

Modélisation du champ électrique modifié par la charge d'espace injectée

Bassem Khaddour (1)

1 G2ELab - Laboratoire de Génie Electrique de Grenoble

Some electrostatic applications, in particular the electrostatic precipitators, are using the corona discharges in gases from electrodes with high curvature. These electrodes are injecting charges in the gas and the resulting space charge modifies the distribution of electrical field between the electrodes. The aim of our work was to develop a numerical code to determine the distributions of electrical field and charge density in a blade-plate configuration, the charge being injected by corona discharge on the blade edge.
The finite elements method FEM is used to solve Poisson equation and the method of characteristic MOC is used to solve the charge conservation equation. The solution of the two coupled equations is obtained by successive approximations; a structured mesh is redefined at each step of the iterative scheme; this eliminates the numerical diffusion. The redefinition of the structured mesh is the most important part of the work. The algorithm converges quite well for various space charge distributions on the injecting blade. The numerical solutions obtained retaining a charge injection law on the blade give results which compare satisfactorily with current density measurements on the planar electrode of a blade-plate set-up.

Un certain nombre d'applications électrostatiques, notamment les dépoussiéreurs électrostatiques, mettent en oeuvre le phénomène de décharge couronne dans les gaz à partir d'électrodes ayant une forte courbure. Ces électrodes injectent des charges dans le gaz et la charge d'espace qui en résulte modifie la distribution du champ électrique. Le but de notre travail a été de développer un code numérique pour déterminer les distributions de champ électrique et de densité de charge dans la configuration lame-plan, la création de charge se faisant par effet couronne sur le bord de la lame.
Nous utilisons la méthode des éléments finis MEF pour résoudre l'équation de Poisson et la méthode des caractéristiques MC pour résoudre l'équation de conservation de la charge. Les deux équations couplées sont résolues par approximations successives en redéfinissant le maillage structuré à chaque itération pour éliminer la diffusion numérique. La redéfinition du maillage structuré est la partie la plus importante du travail. L'algorithme converge bien pour différentes distributions de la charge définies sur la lame injectrice. Les solutions numériques obtenues pour une loi d'injection imposée sur la lame plate donnent des résultats en très bon accord avec les mesures de densité de courant sur l'électrode plane d'un dispositif lame-plan.

Mots clés: elecrtical field; space charge; modeling; finite element FEM; methode of caractseristics MOC; finite volume methode FVM; charge conservation; mesh

Mots clés: Champ électrique; charge d'espace; modélisation; élements finis MEF; méthode des caractéristiques; méthode des volumes finis MVF conservation de la charge; maillage

Domaines: Modélisation et simulation

Bassem Khaddour. Modélisation du champ électrique modifié par la charge d'espace injectée. Modélisation et simulation. Institut National Polytechnique de Grenoble - INPG, 2006. Français. ⟨NNT : ⟩. ⟨tel-00130130⟩