Numerical Study of Nanosecond Capillary and Surface Dielectric Barrier Discharges : Kinetics, Transport and Fluid Responses

par Yifei Zhu

Thèse de doctorat en Physique des plasmas

Sous la direction de Svetlana Starikovskaia.

Soutenue le 04-05-2018

à Paris Saclay , dans le cadre de ?cole doctorale Ondes et Mati?re (2015-.... ; Orsay, Essonne) , en partenariat avec ?cole polytechnique (Palaiseau, Essonne) (?tablissement op?rateur d'inscription) et de Laboratoire de Physique des Plasmas (Palaiseau) (laboratoire) .

Le président du jury était Jean-Hugues Paillol.

Le jury était composé de Svetlana Starikovskaia, Anne Bourdon, Natalie Babaeva.

Les rapporteurs étaient Nicolas Naud?, Victor Soloviev.

  • Titre traduit

    ?tude num?rique dans une d?charge capillaire nanoseconde et dans la d?charge contr?l?e par barri?re di?lectrique surfacique : Cin?tiques, Transport et R?ponses de fluide


  • Résumé

    Les d?charges puls?es nanoseconde sont caract?ris?es par un fort champ r?duit (centaine Td) et une forte thermodynamique hors-?quilibre. Ils ont de l??nergie ?lectronique de quelques eV ? quelques dizaine eV et la d?position d??nergie sp?cifique de 10^-3 eV/mol ? quelques eV/mol.Deux configurations particuli?res sont ?tudi?es: (i) d?charge capillaire nanoseconde (nCD) fonctionnant ? la pression mod?r?e et ? une haute, et (ii) d?charge contr?l?e par barri?re di?lectrique surfacique de nanoseconde, fonctionnant ? la pression atmosph?rique ou ? la pression plus ?lev?e, et ? une ?nergie sp?cifique de la d?position relativement faible.La d?charge capillaire nanoseconde est un outil exp?rimental pour analyser le nanoseconde plasma dans certaines conditions extr?mes. Des exp?riences r?centes de nCD ont r?v?l? que la cin?tique du plasma change consid?rablement quand l??nergie sp?cifique de la d?position est plus ?lev?e. L'un des objectifs du travail est d'?tudier num?riquement les effets de la cin?tique modifi?e sur la technique classique de la mesure de l?actinom?trie, et sur l??volution spatial-temporelle du plasma dans la d?charge et en post-d?charge.La d?charge contr?l?e par barri?re di?lectrique surfacique de nanoseconde a ?t? largement ?tudi?e dans la communaut? de l'a?rodynamique. Cependant, au d?but de d?marrer le travail, les param?tres de nSDBD n'?taient pas bien compris, la comparaison des calculs num?riques et des r?sultats exp?rimentaux n'?taient pas disponibles. Par cons?quent, la mod?lisation de nSDBD et la comparaison avec des r?sultats exp?rimentaux sous les m?mes param?tres est un autre objet de la th?se.Le travail dans ce manuscrit est organis? en trois parties. Dans la premi?re partie, la mod?lisation num?rique et les exp?rimentations de l?actinom?trie bas?e sur l?Ar sont utilis?es pour ?tudier la densit? de l?oxyg?ne atomique dans une d?charge capillaire nanoseconde. Un sch?ma cin?tique d?crivant le comportement coh?rent de l'ensemble des donn?es exp?rimentales est d?velopp?. Les processus principaux, qui sont responsables de la population et de la d?croissance des trois esp?ces int?ress?s sont s?lectionn?s ? base de l?analyse de la sensibilit? et du taux. Le r?le des r?actions entre les esp?ces excit?es et les ?lectrons a l?entr?e de la post-d?charge pour une d?charge puls?e au grand champ ?lectrique et haute ?nergie sp?cifique de la d?position est discut?.La deuxi?me partie est consacr?e ? ?tudier, analyser et pr?voir des caract?ristiques de la d?charge et de la post-d?charge de nCD sous diff?rents ?nergie sp?cifique de la d?position , bas?es sur un code auto - coh?rent bidimensionnel, nonPDPsim. La propagation de la d?charge a ?t? mod?lis?e. Deux modes de propagation ont ?t? identifi?s, trois formes d'ondes d'ionisation sont trouv?es en variant le rayon de tube. Le taux de d?croissance et la distribution radiale des ?lectrons et de N2(C3) dans la post-d?charge sont ?tudi?s en respectant l??nergie sp?cifique de la d?position.Finalement, un mod?le parall?le bidimensionnel PASSKEy (?PArallel Streamer Solver with KinEtics?) a ?t? d?velopp? et valid? pour mod?liser le nSDBD. Une s?rie de calculs num?riques pour un seul pulse de nSDBD dans l'air ? la pression atmosph?rique ? une amplitude de tension de 24 kV a ?t? effectu?e, les r?sultats ont ?t? compar?s avec des r?sultats exp?rimentaux dans les m?mes conditions. Vitesse calcul?e et mesur?e De l?entr?e de la d?charge, courant ?lectrique, carte plan 2D d'?mission de N2(C3)->N2(B3), et perturbations hydrodynamiques provoqu?es par la d?charge sur l'?chelle de temps sont analys?es de 0, 2 ? 5us. L'effet de diff?rents processus cin?tiques dans la distribution 2D de la chaleur est ?tudi?. Les donn?es sont pr?sent?es et analys?es pour la polarit? de tension n?gative et positive. Un ensemble de calculs param?triques avec diff?rentes permittivit? di?lectrique, diff?rent ?paisseur des di?lectriques et diff?rente pression ambiantes sont pr?sent?s.


  • Résumé

    Nanosecond pulsed discharges are characterized by high reduced electric fields (hundreds of Td) and strong nonequilibrium. They have characteristic electron energies of a few to tens of eV and specific energy deposition ranging from 10$^{-3}$ eV/mol to a few eV/mol. The energetic electrons can efficiently generate chemical active species, lead to fast gas heating. These discharges are found in a growing list of successful practical applications: gas pollution control, surface treatment, plasma assisted aerodynamics, plasma assisted biology and medicine and plasma assisted combustion.Two particular configurations are studied in present work: (i) nanosecond capillary discharge (nCD) operated at moderate pressures and high specific deposited energy, and (ii) nanosecond surface dielectric barrier discharge (nSDBD) operated at atmospheric or higher pressures and relatively low specific deposited energy.Nanosecond capillary discharge is an experimental tool to analyse nanosecond plasma in some limit extreme conditions. Recent nCD experiments revealed that, plasma kinetics changes dramatically at high specific energy deposition. One of the aims of the present work, is to study numerically the effects of the changed kinetics to the classical actinometry measurement technique, and the spatial-temporal evolution of plasmas during discharge and afterglow.Nanosecond surface dielectric barrier discharge has been widely studied in the community of aerodynamics. However, at the moment of starting the thesis, the parameters of nSDBD plasma were not yet clearly understood, detailed comparison of numerical calculations and experiments were not available. Therefore, modelling of nSDBD and comparison with experiments performed for the same parameters is another object of the presented thesis.The results in the thesis are presented in three parts. In the first part, numerical modelling and experiment of Ar-based actinometry are used to study the atomic oxygen density in nanosecond capillary discharge. A kinetic scheme describing consistent behavior of the set of the experimental data is developed. The main processes responsible for population and decay of the three species of interest are selected on the basis of sensitivity and rate analysis. The role of the reactions between excited species and electrons in early afterglow for pulsed discharges at high electric fields and high values of specific deposited energy is discussed. Density of O-atoms in the ground state is obtained from the calculations.The second part is devoted to study, analyse and predict the features of the discharge and afterglow of nCD under different specific energy deposition based on a two--dimensional self-consistent code, nonPDPsim. Propagation of the discharge have been modelled. Two modes of propagation were identified, three shapes of ionization waves are found with various tube radius. The decay rate and radial distribution of electrons and $rm N_2(C^3Pi_u)$ in the afterglow are studied with respect to specific energy deposition.Finally, a two--dimensional parallel PASSKEy (``PArallel Streamer Solver with KinEtics'') code coupling plasma and hydrodynamics has been developed and validated to model nSDBD. Series of numerical calculations for a single pulse nSDBD in atmospheric pressure air at 24~kV voltage amplitude has been performed, the results were compared with experiments in the same conditions. Calculated and measured velocity of the discharge front, electrical current, 2D map of emission of N$_2$(C$^3Pi_u$) $rightarrow$ N$_2$(B$^3Pi_g$), and hydrodynamic perturbations caused by the discharge on the time scale $0.2-5$~$mu$s are analysed. The effect of different kinetics processes in 2D distribution of heat release is studied. The data are presented and analyzed for negative and positive polarity of voltages. A set of parametric calculations with different dielectric permittivity, the thickness of dielectric and ambient pressures are presented.


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