Filamentary nanosecond surface dielectric barrier discharge at elevated pressures. Streamer-to-filamentary transition and application for plasma assisted combustion.

par Serge Shcherbanev

Thèse de doctorat en Physique des plasmas

Sous la direction de Svetlana Starikovskaia.

Soutenue le 16-12-2016

à Paris Saclay , dans le cadre de École doctorale Ondes et Matière (2015-.... ; Orsay, Essonne) , en partenariat avec Laboratoire de Physique des Plasmas (Palaiseau) (laboratoire) , École polytechnique (Palaiseau, Essonne) (établissement opérateur d'inscription) et de Laboratoire de Physique des Plasmas / LPP (laboratoire) .

  • Titre traduit

    Décharge Filamentaire Nanoseconde en Surface à Barrière Diélectrique. Transition Streamer - Filamentaire et Application pour Combustion Assisté par Plasma


  • Résumé

    Le plasma hors-équilibre est l’un des outils les plus attrayants et prometteurs pour de nombreuses applications assistées par plasma. La production d’espèces actives (espèces excitées, radicaux, photons de hautes énergies couvrant les spectres UV et IR) est importante pour le contrôle des gaz polluants, le traitement de surface, les actionneurs de plasma en aérodynamique, certaines applications biomédicales et, plus récemment, en médecine du plasma. Pour des densités de gaz atmosphérique et élevée, les applications des plasmas non-thermiques sont essentiellement l’allumage des mélanges combustibles ou, soi-disant, l’Allumage Assistée par Plasma (AAP). Les Décharges à Barrière Diélectrique de Surface (DBDS), largement utilisées pour le contrôle de l’écoulement aérodynamique, ont été récemment suggérées comme déclencheur de la combustion distribué dans différents systèmes. La possibilité d’utiliser les DBDS, comme allumeurs à des pressions allant jusqu’à plusieurs dizaines de bar, a été démontrée au cours des 4-5 dernières années. Au début de la thèse, l’ensemble des données expérimentales sur la décharge et l’allumage des combustibles par DBDS était assez pauvre, et insuffisant pour une analyse détaillée. Par conséquent, l’étude expérimentale de la DBDS à des densités atmosphérique et élevée de gaz, ainsi que l’étude du déclenchement de la flamme par DBDS nanoseconde (DBDSn) ont fait l’objet de cette thèse. Les résultats de la thèse sont présentés en trois parties. Dans la première partie, la DBDSn en mode mono-pulse est étudiée. Pour cela, l’analyse du dépôt d’énergie, du courant de la décharge, de la distribution de l’intensité et de la libération d’énergie qui en découle est effectuée. Les impulsions à polarités positive et négative sont utilisées pour générer la décharge surfacique, et la physique des streamers à polarités positive et négative y est discutée. Pour les deux polarités, la densité électronique et le champ électrique réduit sont estimés puis comparés avec des calculs et/ou des résultats obtenus par modélisation 2D. La deuxième partie est consacrée à l’étude des DBDSn à pression élevée (jusqu’à 12 bar) dans différents mélanges de gaz : N2, air, N2:CH4, N2:H2, Ar:O2, etc. Deux aspects morphologiquement différents de la DBDSn sont considérés : une DBD streamer « classique » à des pressions et tensions relativement basses, et une DBD filamentaire à des pressions et/ou tensions élevées. Les données quantitatives sur la décharge à haute pression (de 1 à 12 bar) sont obtenues par spectroscopie d’émission. Une description possible de la nature de cette filamentation est donnée. Enfin, la troisième partie présente les expériences d’allumage assistée par plasma utilisant des DBDSn à haute pression. Les morphologies de la décharge dans les mélanges combustibles pauvres (H2:air) et de l’allumage engendré sont étudiées. Puis, la comparaison entre allumage par décharge filamentaire et par streamer à la pression 1-6 bar est effectuée. Les données expérimentales sont analysées grâce à une modélisation de la cinétique de l’allumage assisté par plasma dans des champs électriques typiques des DBDSn (E/N = 100 Td). Une étude complexe des décharges à pression atmosphérique, à haute pression et de l’allumage permet d’obtenir une description détaillée de l’allumage à haute pression, distribué dans l’espace par le plasma hors-équilibre.


  • Résumé

    Non–equilibrium plasma is one of the most attractive and promising tool for many plasma–assisted applications. Production of active species (excited species, radicals, high energetic photons covering UV and IR spectral range) is important for gas pollution control, surface treatment, plasma actuators for aerodynamics application, biomedical applications and more recently the field of plasma medicine. For atmospheric and elevated gas densities the mainstream of the non–thermal plasma applications is the ignition of combustible mixtures or so–called Plasma–Assisted Ignition (PAI). Surface dielectric barrier discharges (SDBD), widely used for aerodynamic flow control, were recently suggested as distributed initiators of combustion in different systems. A principal possibility of using the SDBD ignitors at as high pressure as tens of bars has been demonstrated during the last 4-5 years. At the moment of the beginning of the thesis, the set of experimental data on the discharge and of ignition of fuels with SDBD was quite poor and insufficient for detailed analysis. Therefore, the experimental study of the surface DBD at atmospheric and elevated gas densities and the study of flame initiation with nanosecond SDBD were the object of the presented thesis. The results in the Thesis are presented in three parts. In the first part the nSDBD in a single shot regime at atmospheric air is investigated. The analysis of energy deposition, discharge current, intensity distribution and consequent energy release is performed. The positive and negative polarity pulses are used to produce surface discharge. The physics of anode and cathode–directed streamers is discussed. For both polarities of the applied pulses the electron density and reduced electric field are estimated and compared with calculations and/or 2D modeling results. The second part is devoted to the study of nSDBD at elevated pressures, up to 12 bar, in different gas mixtures ( N2, air, N2:CH4, N2:H2, Ar:O2, etc.). Two morphologically different forms of the nSDBD are considered: a “classical” streamer DBD at relatively low pressures and voltages, and a filamentary DBD at high pressures and/or voltages. The emission spectroscopy is used to obtain quantitative data about the discharge at high pressures (1-12 bar). The possible nature of the discharge filamentation is described. Finally, the third part describes the experiments of plasma–assisted ignition with nanosecond SDBD at elevated pressures. The discharge morphology in lean combustible ( H2:air) mixtures and following ignition of the mixtures are studied. The comparison of ignition by filamentary and streamer discharge at the pressures 1-6 bar is performed. Kinetic modeling of plasma assisted ignition for the electric fields typical for nSDBD, E/N = 100 − 200 Td is used for analysis of experimental data. Complex study of the discharges at atmospheric pressure, discharge at high pressures and ignition allow detailed description of the high-pressure distributed in space ignition by non--equilibrium plasma.


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