BEGIN:VCALENDAR VERSION:2.0 PRODID:-//linuxsoftware.nz//NONSGML Joyous v1.4//EN BEGIN:VEVENT SUMMARY:Aerodynamic study of atmospheric-pressure plasma jets DTSTART:20241220T140000Z DTEND:20241220T160000Z DTSTAMP:20260811T042505Z UID:7832dd50-8e16-4638-9869-ad27eb9dc105 SEQUENCE:2 CREATED:20241218T102929Z DESCRIPTION:Jatos de plasma a pressão atmosférica (JPPAs) podem ser cria dos por descargas pulsadas repetidas produzindo ondas de ionização (OIs) . O gás do jato\, tipicamente um gás nobre\, guia a OI que excita e ioni za espécies ao longo do jato. JPPAs frios são plasmas fracamente ionizad os e preservam as propriedades mecânicas dos gases neutros. Assim\, uma d escrição auto-consistente dos JPPAs deve incluir a dinâmica acoplada de plasma e fluido. Neste trabalho\, estudamos a aerodinâmica dos JPPAs usa ndo métodos experimentais e de modelização computacional. As experiênc ias foram feitas com reatores a árgon para estudar as OIs (fast-imaging)\ , o escoamento (Schlieren)\, a densidade de Ar(1s5) (espectroscopia de abs orção a laser) e espectros de emissão ótica. Estudos de modelização usam o Software Package for Aerothermodynamics Radiation and Kinetics (SPA RK)\, inicialmente desenvolvido para simular plasmas de reentrada atmosfé rica\, 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 ex posto. O principal jato de árgon é protegido por um fluxo co-axial gasos o 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 pul so de tensão cria duas descargas: uma na frente de subida e outra na fren te de descida do pulso. A primeira descarga propaga-se como uma OI\, com e missão de luz filamentar para frequências abaixo de 10 kHz e emissão di fusa 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 e spirais e ramificações perto do final da trajetória. A emissão de luz da segunda descarga é sempre difusa\, mais curta e menos intensa que a pr imeira. O jato de árgon está num regime de transição\, sendo laminar d urante 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 f requência de repetição do pulso de tensão aplicada leva a uma progress iva redução da zona laminar. O escoamento co-axial também afeta o compr imento laminar do jato de árgon\, com um menor comprimento laminar para m aiores concentrações de O2. Na primeira descarga\, os perfis de densidad e de Ar(1s5) são mais extensos\, mais amplos e menos reprodutíveis do qu e 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 reproduti bilidade e perfis de densidade de Ar(1s5) mais longos e amplos. Adicionand o O2\, aumenta-se a reprodutibilidade da absorbância e a densidade máxim a de Ar(1s5) em ambas as descargas. Perfis espaciotemporais da densidade d e Ar(1s5) mostram um aumento durante a passagem da OI\, seguido por uma di minuição e um segundo aumento\, possivelmente devido ao decaimento radia tivo 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 densi dade 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 d e 320 K e deve estar em equilíbrio com a temperatura de translação do g ás. A temperatura vibracional de N2(C) atingiu ~3x103 K durante a passage m da OI\, diminuindo rapidamente nos 150 ns seguintes para ~103 K. Os estu dos de modelização usaram uma versão modificada do código SPARK-CFD de senvolvida nesta tese. As adaptações relevantes foram: a inclusão da de scrição dos eletrões em equilíbrio térmico não local\; a inclusão d e um solver de fluxo invíscido de baixa dissipação numérica\; formula ção 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 c ondições 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 most ram a transição de um jato difuso (completamente laminar) para um jato i nstável com perturbações axisimétricas com o aumento da taxa de fluxo. O escoamento dentro do reator mostra uma região de recirculação que n ão atinge o equilíbrio antes da saída do bocal. Esta recirculação pux a espécies de ar seco para dentro do bocal e leva a velocidades axiais m áximas mais altas do que o esperado. Simulações 0D de um único pulso m ostram que uma densidade de potência de\, pelo menos\, 1012 Wm-3 é neces sária para alcançar as densidades experimentais de Ar(1s5). A densidade de Ar(1s5) aumenta após ser aplicado o pulso de potência devido a transi ções radiativas e colisões superelásticas de Ar(4p) e de estados eletr ónicos superiores do árgon. A associação a três corpos é identificad a como o principal mecanismo de destruição do Ar(1s5)\, que demonstra um tempo de vida coerente com resultados experimentais. Simulações de mult i-pulso mostram uma acumulação progressiva de espécies reativas ao long o de múltiplos pulsos\, mostrando a convergência para um estado estacion ário periódico em casos de alta pureza de árgon (fração de ar seco &l t\;10-4). Nestes níveis de pureza\, o Ar2 + é o ião dominante durante t odo o pulso. A purezas mais baixas\, o Ar2 + é rapidamente superado por O 2 + \, 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 f ração de ar seco ≥10-3 . Simulações radiais 1D mostram dinâmicas qu ímicas idênticas às simulações 0D. Mostram também que a descarga cri a um ligeiro (<\;10 K) mas rápido aquecimento de gás\, levando a um au mento de pressão. A pressão aumenta apenas em regiões de alta pureza de árgon\, criando assim uma descontinuidade no campo de pressão. A descon tinuidade cria uma onda de choque fraca que se expande radialmente. Esta o nda 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 co mpleto. 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. Par a 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 e letrónica 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 amb ipolar. 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 den sidade máxima de Ar(1s5) a diminuir para maiores distâncias radiais e ax iais. Mostram também uma dependência não linear com a fração de O2 no gás coaxial\, com uma destruição mais rápida para 50% O2\, seguida po r 20% O2. Simulações 2D totalmente acopladas usam uma abordagem híbrida para integração temporal\, permitindo uma descrição mais precisa da c riação e propagação da descontinuidade de pressão. As simulações mo stram 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 temper atura do gás aquece nesta fronteira\, resultando numa camada fina de gás quente em torno do jato. Um aumento da secção transversal do jato de á rgon acompanha o aquecimento do gás. A jusante da descarga\, a mistura do jato de árgon segue o comportamento do caso não reativo. Entre estas du as regiões\, há um perfil tipo “pinça” onde a secção transversal do jato de árgon diminui repentinamente. Pela primeira vez\, exploramos o s efeitos aerotérmicos dos JPPAs no contexto da descrição de múltiplos pulsos\, incluindo mecanismos de acoplamento plasmaescoamento. A nova ver são 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 pesad as\, o que ampliará o seu uso em modelização de fontes de plasma. LAST-MODIFIED:20241218T103012Z LOCATION:Online URL:http://df.vps.tecnico.ulisboa.pt/pt/eventos/aerodynamic-study-of-atmos pheric-pressure-plasma-jets/ X-ALT-DESC;FMTTYPE=text/html:

Jatos de plasma a p ressão atmosférica (JPPAs) podem ser criados por descargas pulsadas repe tidas 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.

Nes te trabalho\, estudamos a aerodinâmica dos JPPAs usando métodos experime ntais e de modelização computacional. As experiências foram feitas com reatores a árgon para estudar as OIs (fast-imaging)\, o escoamento (Schli eren)\, a densidade de Ar(1s5) (espectroscopia de absorção a laser) e es pectros de emissão ótica. Estudos de modelização usam o Software Packa ge for Aerothermodynamics Radiation and Kinetics (SPARK)\, inicialmente de senvolvido para simular plasmas de reentrada atmosférica\, mas adaptado n esta tese para condições típicas dos JPPA: plasmas subsónicos\, não e stacionários\, e em condições de não equilíbrio térmico.

E xperimentalmente\, estudamos JPPAs de árgon gerados num reator cilíndric o de descarga de barreira dielétrica (DBD) com um elétrodo exposto. O pr incipal 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 tens ão cria duas descargas: uma na frente de subida e outra na frente de desc ida 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 e spirais e ramificações perto do final da trajetória. A emissão de luz da segunda descarga é sempre difusa\, mais curta e menos intensa que a pr imeira. O jato de árgon está num regime de transição\, sendo laminar d urante 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 f requência de repetição do pulso de tensão aplicada leva a uma progress iva redução da zona laminar.

O escoamento co-axial também afe ta o comprimento laminar do jato de árgon\, com um menor comprimento lami nar para maiores concentrações de O2. Na primeira descarga\, os perfis d e densidade de Ar(1s5) são mais extensos\, mais amplos e menos reprodutí veis do que na segunda descarga\, geralmente levando a densidades mais alt as (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 densid ade máxima de Ar(1s5) em ambas as descargas.

Perfis espaciotemp orais 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 produ ção é menor do que na primeira e diminui progressivamente com a distân cia 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 distr ibuição 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) ati ngiu ~3x103 K durante a passagem da OI\, diminuindo rapidamente nos 150 ns seguintes para ~103 K. Os estudos de modelização usaram uma versão mod ificada do código SPARK-CFD desenvolvida nesta tese. As adaptações rele vantes foram: a inclusão da descrição dos eletrões em equilíbrio tér mico não local\; a inclusão de um solver de fluxo invíscido de baixa di ssipação numérica\; formulação e implementação numérica de pré-co ndicionamento a baixo Mach\; a inclusão de paralelização com OpenMP\; i mplementação de métodos de divisão de operadores para a integração t emporal\; implementação de condições fronteira subsónicas\; e a inclu são de uma camada de esponja passa-baixo para amortecer ondas acústicas. O código foi verificado para descontinuidades no escoamento\, com um sol ver de Riemann exato\, e para a solução analítica de um jato laminar. S imulações não reativas mostram a transição de um jato difuso (complet amente laminar) para um jato instável com perturbações axisimétricas c om o aumento da taxa de fluxo. O escoamento dentro do reator mostra uma re gião de recirculação que não atinge o equilíbrio antes da saída do b ocal.

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 potênci a de\, pelo menos\, 1012 Wm-3 é necessária para alcançar as densidades experimentais de Ar(1s5). A densidade de Ar(1s5) aumenta após ser aplicad o o pulso de potência devido a transições radiativas e colisões supere lásticas de Ar(4p) e de estados eletrónicos superiores do árgon.
A associação a três corpos é identificada como o principal mecanis mo de destruição do Ar(1s5)\, que demonstra um tempo de vida coerente co m resultados experimentais. Simulações de multi-pulso mostram uma acumul ação progressiva de espécies reativas ao longo de múltiplos pulsos\, m ostrando a convergência para um estado estacionário periódico em casos de alta pureza de árgon (fração de ar seco <\;10-4). Nestes níveis d e pureza\, o Ar2 + é o ião dominante durante todo o pulso. A purezas mai s baixas\, o Ar2 + é rapidamente superado por O2 + \, que\, por sua vez\, é ultrapassado por NO+ a meio período. Todas as espécies de árgon sã o 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 sim ulações 0D.

Mostram também que a descarga cria um ligeiro (&l t\;10 K) mas rápido aquecimento de gás\, levando a um aumento de pressã o. A pressão aumenta apenas em regiões de alta pureza de árgon\, criand o assim uma descontinuidade no campo de pressão. A descontinuidade cria u ma onda de choque fraca que se expande radialmente. Esta onda acelera o g ás 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 dissi pando-se mais rapidamente devido à maior dissipação numérica. Para um gás co-axial de 100% O2\, a densidade eletrónica permanece alta na front eira entre árgon e o gás co-axial\, levando a uma maior densidade eletr ónica nos pulsos subsequentes. Os iões O2 + \, que são destruídos mais lentamente que outros iões positivos\, retêm eletrões na fronteira jat o - gás co-axial através de mecanismos semelhantes ao transporte ambipol ar. 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 densida de 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\, segu ida por 20% O2. Simulações 2D totalmente acopladas usam uma abordagem h íbrida para integração temporal\, permitindo uma descrição mais preci sa da criação e propagação da descontinuidade de pressão. As simulaç ões mostram que a onda de choque se dissipa principalmente na fronteira e ntre 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 jat o de árgon acompanha o aquecimento do gás.

A jusante da descar ga\, a mistura do jato de árgon segue o comportamento do caso não reativ o. Entre estas duas regiões\, há um perfil tipo “pinça” onde a sec ção transversal do jato de árgon diminui repentinamente. Pela primeira vez\, exploramos os efeitos aerotérmicos dos JPPAs no contexto da descri ção de múltiplos pulsos\, incluindo mecanismos de acoplamento plasmaesc oamento. A nova versão do SPARK-CFD desenvolvida durante a tese será lan çada como código aberto. O código pode agora simular plasmas subsónico s e hipersónicos\, com um acoplamento de energia melhorado entre eletrõe s e espécies pesadas\, o que ampliará o seu uso em modelização de font es de plasma.

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