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 École doctorale Ondes et Matière (2015-.... ; Orsay, Essonne) , en partenariat avec École polytechnique (Palaiseau, Essonne) (établissement opérateur 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 Naudé, Victor Soloviev.

  • Titre traduit

    Étude numérique dans une décharge capillaire nanoseconde et dans la décharge contrôlée par barrière diélectrique surfacique : Cinétiques, Transport et Réponses de fluide


  • Résumé

    Les décharges pulsées nanoseconde sont caractérisées par un fort champ réduit (centaine Td) et une forte thermodynamique hors-équilibre. Ils ont de l’énergie électronique de quelques eV à quelques dizaine eV et la déposition d’énergie spécifique de 10^-3 eV/mol à quelques eV/mol.Deux configurations particulières sont étudiées: (i) décharge capillaire nanoseconde (nCD) fonctionnant à la pression modérée et à une haute, et (ii) décharge contrôlée par barrière diélectrique surfacique de nanoseconde, fonctionnant à la pression atmosphérique ou à la pression plus élevée, et à une énergie spécifique de la déposition relativement faible.La décharge capillaire nanoseconde est un outil expérimental pour analyser le nanoseconde plasma dans certaines conditions extrêmes. Des expériences récentes de nCD ont révélé que la cinétique du plasma change considérablement quand l’énergie spécifique de la déposition est plus élevée. L'un des objectifs du travail est d'étudier numériquement les effets de la cinétique modifiée sur la technique classique de la mesure de l’actinométrie, et sur l’évolution spatial-temporelle du plasma dans la décharge et en post-décharge.La décharge contrôlée par barrière diélectrique surfacique de nanoseconde a été largement étudiée dans la communauté de l'aérodynamique. Cependant, au début de démarrer le travail, les paramètres de nSDBD n'étaient pas bien compris, la comparaison des calculs numériques et des résultats expérimentaux n'étaient pas disponibles. Par conséquent, la modélisation de nSDBD et la comparaison avec des résultats expérimentaux sous les mêmes paramètres est un autre objet de la thèse.Le travail dans ce manuscrit est organisé en trois parties. Dans la première partie, la modélisation numérique et les expérimentations de l’actinométrie basée sur l’Ar sont utilisées pour étudier la densité de l’oxygène atomique dans une décharge capillaire nanoseconde. Un schéma cinétique décrivant le comportement cohérent de l'ensemble des données expérimentales est développé. Les processus principaux, qui sont responsables de la population et de la décroissance des trois espèces intéressés sont sélectionnés à base de l’analyse de la sensibilité et du taux. Le rôle des réactions entre les espèces excitées et les électrons a l’entrée de la post-décharge pour une décharge pulsée au grand champ électrique et haute énergie spécifique de la déposition est discuté.La deuxième partie est consacrée à étudier, analyser et prévoir des caractéristiques de la décharge et de la post-décharge de nCD sous différents énergie spécifique de la déposition , basées sur un code auto - cohérent bidimensionnel, nonPDPsim. La propagation de la décharge a été modélisée. Deux modes de propagation ont été identifiés, trois formes d'ondes d'ionisation sont trouvées en variant le rayon de tube. Le taux de décroissance et la distribution radiale des électrons et de N2(C3) dans la post-décharge sont étudiés en respectant l’énergie spécifique de la déposition.Finalement, un modèle parallèle bidimensionnel PASSKEy («PArallel Streamer Solver with KinEtics») a été développé et validé pour modéliser le nSDBD. Une série de calculs numériques pour un seul pulse de nSDBD dans l'air à la pression atmosphérique à une amplitude de tension de 24 kV a été effectuée, les résultats ont été comparés avec des résultats expérimentaux dans les mêmes conditions. Vitesse calculée et mesurée De l’entrée de la décharge, courant électrique, carte plan 2D d'émission de N2(C3)->N2(B3), et perturbations hydrodynamiques provoquées par la décharge sur l'échelle de temps sont analysées de 0, 2 à 5us. L'effet de différents processus cinétiques dans la distribution 2D de la chaleur est étudié. Les données sont présentées et analysées pour la polarité de tension négative et positive. Un ensemble de calculs paramétriques avec différentes permittivité diélectrique, différent épaisseur des diélectriques et différente pression ambiantes sont présentés.


  • 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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