Aerodynamic study of atmospheric-pressure plasma jets

December 20, 2024

Os jatos de plasma a pressão atmosférica (JPPAs) estendem um plasma além das paredes do reator. Estes plasmas são versáteis, produzindo e transportando espécies reativas que podem ser aplicadas em materiais sensíveis. Assim, são usados em várias indústrias como a biológica, médica, de análise química e de processamento de materiais. Os JPPAs são produzidos pela passagem repetitiva de ondas de ionização (OIs), que são guiadas a jusante pelo escoamento, sendo este também perturbado pelo próprio plasma. Estudar a aerodinâmica dos JPPAs fornece um caminho para entender o acoplamento plasma-escoamento. Nesta tese estudámos um JPPA coaxial de árgon, blindado por uma mistura de N2 e O2, através de experiências e modelização numérica. Experimentalmente observam-se duas descargas elétricas durante cada pulso de tensão aplicada: uma na frente de subida e outra na descida. Cada descarga produz metaestáveis de árgon, cuja densidade pode ser modulada variando a fração de O2 no gás de blindagem. Temperaturas rotacionais e vibracionais aumentam durante as descargas, indicando uma transferência rápida de energia entre eletrões e espécies pesadas. A imagiologia de Schlieren permite-nos ver o escoamento, incluindo como uma única descarga cria perturbações coerentes no mesmo. Paralelamente, adaptámos o código SPARK-CFD, inicialmente escrito para plasmas de reentrada atmosférica, para simular APPJs ao longo de múltiplos pulsos. As simulações mostram como a geometria do reator afeta a velocidade e a composição química do escoamento em jatos simples e coaxiais. Com plasma, nota-se o aquecimento dos eletrões e subsequente excitação e ionização de átomos e moléculas. Essa transferência de energia para espécies pesadas causa um aumento de temperatura/pressão, alterando o campo de velocidade do jato. Estes efeitos acumulam-se ao longo de múltiplos pulsos, mudando o perfil espaciotemporal do jato e das espécies reativas. Por fim, a versão adaptada do SPARK-CFD será lançada em código aberto, fornecendo uma ferramenta para simulações temporalmente precisas de plasmas, do subsónico ao hipersónico. Cold atmospheric pressure plasma jets (APPJs) extend plasma beyond the walls of a reactor. These versatile plasma sources produce and deliver reactive species to sensitive materials. Accordingly, APPJs have many applications in biology, medicine, chemical analysis, and material processing. APPJs are produced by the repetitive passage of ionization waves (IWs), which are guided downstream by the flow. In turn, IWs perturb the flow at each passage. Studying the aerodynamics of APPJs provides a path to understanding the plasma-flow coupling. In this work, we study a co-axial argon APPJ with varying N2 and O2 shielding gas mixtures through experimental approaches and computational modelling. Experiments show two discharges produced by a square pulse of applied voltage: one at the rising and another at the falling edge. Each discharge produces argon metastables, whose maximum density can be modulated by varying the fraction of O2 in the shielding gas. Rotational and vibrational temperatures increase during the discharges, indicating fast energy transfers from electrons to heavy species. We visualize the jet through Schlieren imaging, including how a single discharge creates coherent flow perturbations. In parallel, we adapted the SPARK-CFD code, initially designed for reentry plasmas, to simulate APPJs pulse-by-pulse and across multiple pulses. Non-reactive simulations show how the reactor’s geometry affects the velocity and chemical composition in single and co-axial jet flows. In agreement with experiments, plasma jet simulations show electron heating and subsequent excitation and ionization of atoms and molecules. This energy transfer to heavy species causes a fast temperature/pressure increase, altering the velocity field of the jet. These effects accumulate over multiple pulses, changing the jet and reactive species’ spatial and temporal profiles. Finally, the adapted version of SPARK-CFD will be released as open-source, providing a code for temporally accurate simulations of plasmas, including flows from subsonic to hypersonic conditions.

Authors in the community:

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  D

  Duarte Nuno Barreto Gonçalves

  ist175936

Supervisors of this institution:

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  L

  Luís Paulo Da Mota Capitão Lemos Alves

  ist12747

101807465

Doutoramento em Engenharia Física Tecnológica

physical-sciences - Physical sciences

Keywords

• Aerodynamic of plasmas
• computational fluid dynamics
• plasma jets
• spectroscopy
• Schlieren
• Aerodinâmica de plasmas
• mecânica de fluidos computacional
• jatos de plasma
• espectroscopia
• Schlieren

eng - English

Instituto Superior Técnico

Financing entity

Fundação para a Ciência e a Tecnologia

Identifier for the funding entity: https://doi.org/10.13039/501100001871

Type of identifier of the funding entity: Crossref Funder