Aerodynamic study of atmospheric-pressure plasma jets

Jatos de plasma a pressão atmosférica (JPPAs) podem ser criados por descargas pulsadas repetidas produzindo ondas de ionização (OIs). O gás do jato, tipicamente um gás nobre, guia a OI que excita e ioniza espécies ao longo do jato. JPPAs frios são plasmas fracamente ionizados e preservam as propriedades mecânicas dos gases neutros. Assim, uma descrição auto-consistente dos JPPAs deve incluir a dinâmica acoplada de plasma e fluido.

Neste trabalho, estudamos a aerodinâmica dos JPPAs usando métodos experimentais e de modelização computacional. As experiências foram feitas com reatores a árgon para estudar as OIs (fast-imaging), o escoamento (Schlieren), a densidade de Ar(1s5) (espectroscopia de absorção a laser) e espectros de emissão ótica. Estudos de modelização usam o Software Package for Aerothermodynamics Radiation and Kinetics (SPARK), inicialmente desenvolvido para simular plasmas de reentrada atmosférica, mas adaptado nesta tese para condições típicas dos JPPA: plasmas subsónicos, não estacionários, e em condições de não equilíbrio térmico.

Experimentalmente, estudamos JPPAs de árgon gerados num reator cilíndrico de descarga de barreira dielétrica (DBD) com um elétrodo exposto. O principal jato de árgon é protegido por um fluxo co-axial gasoso composto por uma mistura de N2 e O2. Aplicamos pulsos quadrados de alta tensão (4 kV a 6 kV) a alta frequência (10 kHz a 20 kHz), onde cada pulso de tensão cria duas descargas: uma na frente de subida e outra na frente de descida do pulso. A primeira descarga propaga-se como uma OI, com emissão de luz filamentar para frequências abaixo de 10 kHz e emissão difusa para frequências mais altas.

A OI propaga-se na linha central do jato, com velocidades de ~2×105 ms-1 a 6 kV e ~105 ms-1 a 4 kV, mostrando espirais e ramificações perto do final da trajetória. A emissão de luz da segunda descarga é sempre difusa, mais curta e menos intensa que a primeira. O jato de árgon está num regime de transição, sendo laminar durante os primeiros 10 a 40 mm e turbulento a jusante. Uma única descarga cria uma perturbação de fluxo coerente (com formato em 'S'), que se propaga a uma velocidade próxima à do escoamento. Aumentar a frequência de repetição do pulso de tensão aplicada leva a uma progressiva redução da zona laminar.

O escoamento co-axial também afeta o comprimento laminar do jato de árgon, com um menor comprimento laminar para maiores concentrações de O2. Na primeira descarga, os perfis de densidade de Ar(1s5) são mais extensos, mais amplos e menos reprodutíveis do que na segunda descarga, geralmente levando a densidades mais altas (5.4-9.3x1013 cm-3). A ausência de O2 no gás coaxial leva a uma menor reprodutibilidade e perfis de densidade de Ar(1s5) mais longos e amplos. Adicionando O2, aumenta-se a reprodutibilidade da absorbância e a densidade máxima de Ar(1s5) em ambas as descargas.

Perfis espaciotemporais da densidade de Ar(1s5) mostram um aumento durante a passagem da OI, seguido por uma diminuição e um segundo aumento, possivelmente devido ao decaimento radiativo do Ar(4p). Na segunda descarga, a taxa de produção é menor do que na primeira e diminui progressivamente com a distância ao bocal. A densidade eletrónica foi estimada a partir do alargamento Stark da linha Hɑ, sendo ~4x1014 cm-3 durante a passagem da OI. A distribuição rotacional de OH mostrou características de não-equilíbrio, consistentes com uma descrição a duas temperaturas. A menor temperatura foi medida em torno de 320 K e deve estar em equilíbrio com a temperatura de translação do gás.

A temperatura vibracional de N2(C) atingiu ~3x103 K durante a passagem da OI, diminuindo rapidamente nos 150 ns seguintes para ~103 K. Os estudos de modelização usaram uma versão modificada do código SPARK-CFD desenvolvida nesta tese. As adaptações relevantes foram: a inclusão da descrição dos eletrões em equilíbrio térmico não local; a inclusão de um solver de fluxo invíscido de baixa dissipação numérica; formulação e implementação numérica de pré-condicionamento a baixo Mach; a inclusão de paralelização com OpenMP; implementação de métodos de divisão de operadores para a integração temporal; implementação de condições fronteira subsónicas; e a inclusão de uma camada de esponja passa-baixo para amortecer ondas acústicas. O código foi verificado para descontinuidades no escoamento, com um solver de Riemann exato, e para a solução analítica de um jato laminar. Simulações não reativas mostram a transição de um jato difuso (completamente laminar) para um jato instável com perturbações axisimétricas com o aumento da taxa de fluxo. O escoamento dentro do reator mostra uma região de recirculação que não atinge o equilíbrio antes da saída do bocal.

Esta recirculação puxa espécies de ar seco para dentro do bocal e leva a velocidades axiais máximas mais altas do que o esperado. Simulações 0D de um único pulso mostram que uma densidade de potência de, pelo menos, 1012 Wm-3 é necessária para alcançar as densidades experimentais de Ar(1s5). A densidade de Ar(1s5) aumenta após ser aplicado o pulso de potência devido a transições radiativas e colisões superelásticas de Ar(4p) e de estados eletrónicos superiores do árgon.

A associação a três corpos é identificada como o principal mecanismo de destruição do Ar(1s5), que demonstra um tempo de vida coerente com resultados experimentais. Simulações de multi-pulso mostram uma acumulação progressiva de espécies reativas ao longo de múltiplos pulsos, mostrando a convergência para um estado estacionário periódico em casos de alta pureza de árgon (fração de ar seco <10-4). Nestes níveis de pureza, o Ar2 + é o ião dominante durante todo o pulso. A purezas mais baixas, o Ar2 + é rapidamente superado por O2 + , que, por sua vez, é ultrapassado por NO+ a meio período. Todas as espécies de árgon são severamente afetadas pela inclusão de ar seco, sendo destruídas para densidades residuais na pós-descarga para uma fração de ar seco ≥10-3 . Simulações radiais 1D mostram dinâmicas químicas idênticas às simulações 0D.

Mostram também que a descarga cria um ligeiro (<10 K) mas rápido aquecimento de gás, levando a um aumento de pressão. A pressão aumenta apenas em regiões de alta pureza de árgon, criando assim uma descontinuidade no campo de pressão. A descontinuidade cria uma onda de choque fraca que se expande radialmente. Esta onda acelera o gás para velocidades radiais de até 3 ms-1 . Simulações 2D split usam o método de integração de Strang e o esquema cinético completo.

Estas simulações mostram uma descontinuidade de pressão que se forma pelos mesmos mecanismos descritos nas simulações radiais 1D, mas dissipando-se mais rapidamente devido à maior dissipação numérica. Para um gás co-axial de 100% O2, a densidade eletrónica permanece alta na fronteira entre árgon e o gás co-axial, levando a uma maior densidade eletrónica nos pulsos subsequentes. Os iões O2 + , que são destruídos mais lentamente que outros iões positivos, retêm eletrões na fronteira jato - gás co-axial através de mecanismos semelhantes ao transporte ambipolar. Este efeito está essencialmente ausente para um gás co-axial de 100% N2. Tempos de subida e queda da densidade de Ar(1s5) estão de acordo com os resultados experimentais. Perfis de densidade locais mostram a densidade máxima de Ar(1s5) a diminuir para maiores distâncias radiais e axiais.

Mostram também uma dependência não linear com a fração de O2 no gás coaxial, com uma destruição mais rápida para 50% O2, seguida por 20% O2. Simulações 2D totalmente acopladas usam uma abordagem híbrida para integração temporal, permitindo uma descrição mais precisa da criação e propagação da descontinuidade de pressão. As simulações mostram que a onda de choque se dissipa principalmente na fronteira entre o jato de árgon e o gás co-axial. Ao longo de múltiplos pulsos, a temperatura do gás aquece nesta fronteira, resultando numa camada fina de gás quente em torno do jato. Um aumento da secção transversal do jato de árgon acompanha o aquecimento do gás.

A jusante da descarga, a mistura do jato de árgon segue o comportamento do caso não reativo. Entre estas duas regiões, há um perfil tipo “pinça” onde a secção transversal do jato de árgon diminui repentinamente. Pela primeira vez, exploramos os efeitos aerotérmicos dos JPPAs no contexto da descrição de múltiplos pulsos, incluindo mecanismos de acoplamento plasmaescoamento. A nova versão do SPARK-CFD desenvolvida durante a tese será lançada como código aberto. O código pode agora simular plasmas subsónicos e hipersónicos, com um acoplamento de energia melhorado entre eletrões e espécies pesadas, o que ampliará o seu uso em modelização de fontes de plasma.