一个模拟的影响不同的重复率和纳秒脉冲宽度在预拌精益沼气空气燃烧排放

文摘

二维动力学仿真进行了调查重复频率和脉冲宽度的影响稳定的纳秒脉冲放电重复预拌精益沼气空气燃烧。重复频率和脉冲宽度是不同的从10千赫至50千赫和9 ns 2 ns虽然总功率保持不变。低重复率提供大量的自由基,如O, H,哦。然而,发现对稳定的影响是相同的所有测试的重复率。较短的脉冲宽度发现有利于物种的生产更高的电子态,但不同对稳定的影响也很小。我们的研究结果表明,总功率沉积的关键因素是决定稳定的程度超过这个范围的放电特性进行了研究。

1。介绍

研究了纳秒脉冲放电重复尽可能在贫燃料来源稳定燃烧和排污条件(1]。稳定归因于重要激进的生产和天然气加热排放(内1,2]。这两种结果的相对重要性在稳定一直争论不休。然而,这两个放电结果对稳定的影响是很难分开的,因为两种机制源于相同的电子碰撞过程中淬火兴奋物种(电子所产生的直接影响)2,3]。还自由基的影响,如O和H是更加明显在气体温度高分支和传播反应与终止反应。值得注意的是,Pilla et al。4)报道,他们能够稳定燃烧时排放在细丝的模式(如飘带)而不是在发光模式。Deminsky et al。5)也报告说,点火过程的加速在预拌超音速流动与细丝的放电模式。这表明气体加热细丝的往往是更明显的模式是必要的重要的激进的生产和气体温度升高导致的持久性自由基在脉冲之间的时间。

几十microjoule每脉冲能量,数万赫兹重复率,和一些千伏特电压峰值是纳秒的典型操作条件重复放电用于燃烧稳定。在这些条件下,平均电子数密度,可以持续大约是10¹¹厘米⁻³峰值高达10¹⁵厘米⁻³较低功率预算相比其他类型的排放(6]。有几项研究进行了动力学负责plasma-assisted稳定燃烧的1),但据我们所知,很少有,如果有的话,实验研究调查重复率的影响和脉冲宽度(这种类型的排放)稳定。这是因为存入放电区域的力量难以控制和准确的特点。

在本文中,我们审查的影响变化的重复率和脉冲宽度对预拌沼气空气燃烧使用二维动力学模拟。在这些模拟我们设置总功率是恒定和变化之间的重复频率10 kHz和50千赫和脉冲宽度从9 ns ns。通过这种方式,每个脉冲的能量的主要变量,因此产生自由基的数量及其脉冲之间的生存能力。放电区域内的动力学和准稳定的轮廓之间的详细情况下比较。

2。模拟描述

模拟域,标记为红色的虚线框,如图1。轴对称坐标用于模拟,域的大小设置为12毫米高(z设在)和5.6毫米半径(r设在),生成排放区域。放电区域的中心位于4毫米以上计算边界越低,轴,1毫米大小的高度和直径0.35毫米。这个直径选择同意类似的实验测量直径的Pai et al。7]。一个统一的网格间距(0.333毫米z设在和0.175毫米r在这些模拟设在)。物种被认为是包括地面和电子激发态的N₂′(X, A, B, C),地面电子态的O₂,,O, CH₄H₂啊,公司₂,H₂O⁺,,(e)和自由电子,在别人。这些物种被添加到反应机制,减少DRM19 [8),通常用于模拟甲烷/空气燃烧。DRM19已经测试更详细的GRI-Mech机制(9)计算点火延迟时间和层流火焰速度。中性的物种的热力学性质计算基于NASA的使用多项式GRI-Mech包的列表。电子和离子的热力学性质是取自Burcat [10]。反应被认为是电子碰撞激发和电离(N₂、电子轰击离解和电离O₂和CH₄电子轰击电离的H₂O和有限公司₂复合离子转换,电子和正离子,淬火的电子兴奋氮(由N)₂,离解淬火由O₂和CH₄,和化学转换中性物种典型的甲烷/空气燃烧反应机制。等离子体动力学和相关的反应相关的利率提供了我们之前的文献[2]。物种之间的反应速率系数中性和离子是改编自之前的文学,而那些反应涉及电子计算了电场的函数()根据波尔兹曼方程的解决方案,使用商业软件来完成,BOLSIG +(11]。这种方法是必要的,因为反应耦合到电子能量分布函数。值得注意的是只有弹性和非弹性截面与N的主要物种₂阿,₂,CH₄H₂啊,和₂被认为是在建立电子能量分布。物种保护方程用于我们的模拟形式 与 物种方程与能量方程,同时解决了 计算物种的数量在每个网格点密度和气体温度。物种的扩散速度由diffusion-induced对流速度、普通的扩散速度和热扩散速度,后者仅占光物种,在分子量小于五: 在这里,决心满足条件 在上面的方程中,,,是数密度、摩尔分数和化学计量系数物种,和正向和反向率系数,和电子和气体的温度,混合物的平均扩散系数物种吗,热扩散率的物种吗,是当地的平流速度,比例为(是最初的入口气体温度)假设忽略径向速度和恒压,占在燃烧放热引起的流动加速。我们假设只存在于电子和离子的放电区域和二进制扩散系数N电子兴奋₂相等的基态N₂。能量方程,是电子迁移率的函数E / n),是物种的恒定体积下的热容,和物种的形成和明智的焓变吗,mixture-averaged导热系数。物种的混合扩散系数热扩散率的物种,mixture-averaged导热系数计算每个网格点根据(6),也就是说, 在哪里和鼹鼠和质量分数的物种吗分别是物种之间的二进制扩散系数和,是二进制物种热扩散率在物种,是物种的纯导热系数。

在解决偏微分方程组,扩散过程(物种和热传导)由一个中心差分格式离散,对流和平流过程(物种和焓)被逆风离散方案。然后解决常微分方程组为每个(适应性)隐式时间步快速公车提供基于后向差分公式。在计算域划分成更小的子域,分配到独立的进程。这些过程并行计算,通过消息传递接口同步它们的边界值,MPI。日晷CVODE(12]在MPI的支持作为解算器和开放的MPI (13)用于MPI-2标准实现。每个时间的解决方案是使用广义迭代计算微小残留方法(巨磁电阻)[14]。狄利克雷条件用于域边界越低,而诺伊曼条件是用于计算的两侧和顶部边界。

高斯(时间)半极大降低电场与给定的宽屏应用在放电区域。降低电场变化提供的总功率0.4323 W而不同的重复频率和脉冲宽度。沼气空气当量比是0.45,火焰的条件不是自给自足和发起的燃烧排放地区淬灭在下游流的位置。这种低价值是故意选择;否则自给的燃烧很难解决放电的影响。最初的平流速度是42.5厘米/秒。初始入口气体温度和压力设置为296 K和atm,分别。

3所示。仿真结果

3.1。结果重复率介于10 kHz和50千赫

模拟进行了不同的重复率从10千赫至50 kHz,平均功率不变的条件下。根据这些约束,每个脉冲的能量高的低重复率。放电脉冲能量是43μJ, 22μJ, 14μJ, 11μJ, 9μJ 10 kHz, 20 kHz, 30千赫,40 kHz,分别和50千赫。相应的有效降低电场决心345 Td, 335道明,328道明,323道明,318道明。放电区域内的动力学图所示2。由于低重复率较高的电场,电子数密度(图2 (b))峰值更高价值和电子的人口激发态的N₂(图2(一个))都明显增大。因此,气体温度上升(图2 (c))和产生的自由基如O, H,哦(图2 (d))为低重复率也大大增强。这个大的脉冲转换CH后产生自由基₄进一步和H₂,最后有限公司₂和H₂O(数据2 (e)和2 (f))。值得注意的是这种类型的排放的甲烷浓度仍然很低后放电区域内第一个放电脉冲因为第一放电点火沼气空气混合物和重复测试比时间更短时间尺度的物种扩散和平流。尽管低重复率为高值温度和激进的浓度,发现他们的准稳态水平更低,因为长时间脉冲之间的热传导,物种扩散,激进的重组过程。根据这些模拟,动态演化发现更激烈的低重复率。

燃烧的准稳态轮廓主要和次要物种之间不同的重复率10 kHz和50千赫数据所示3和4,分别。CH的轮廓₄、有限公司₂H₂O,有限公司H₂阿,对应的数据3(一个),3 (b),3 (c)和数字4(一),4 (b),4 (c),分别。有趣的是,尽管他们的不同的准稳态值和学位时间演进的气体温度和自由基,这些案件的结果几乎完全一样。我们的结果表明,这个范围的重复率和平均功率放电能够保持足够高的激发态物种的人口需要保持放电区域燃烧(数字3(一个),3 (b),3 (c)的最高水平),而产生的自由基(图4 (c))不太重要,因为它们迅速衰变热平衡值在优惠地区通过激进的重组反应。这些复合反应最终释放热能流。在本质上,激进分子动力学发挥一些作用,我们发现平均功率,无论加热发生的机制,是稳定燃烧的关键因素。

3.2。结果不同的脉冲宽度从9 ns ns

模拟不同的脉冲宽度对应于9 ns, 4 ns,和2 ns进行比较,同时保持恒定的平均放电功率。每个脉冲的能量是14μJ,因为重复率也保持不变,但时间在脉冲能量密度更高的更短的脉冲宽度。这反映在降低了短脉冲电场越高。田野被确定为328 Td, 421 Td,和535 Td 9 ns, 4 ns,分别和2 ns脉冲宽度。放电区域内的详细动力学图所示5。因为时间短脉冲的能量密度越高,越短脉冲导致更大的电子数密度峰值(图5 (b))。兴奋的电子态的N₂(图5(一个)),更在短脉冲能量电子填充更高的能量状态。N₂C是生产最当脉冲宽度是最短的。然而,这些国家之间的不同程度的人口似乎并不导致显著差异等产生的大量自由基O, H,哦(图5 (d))。测试结果非常相似的脉冲宽度,和动态演进为次要物种(H₂和有限公司5 (f)(CH)和主要的物种₄、有限公司₂,和H₂啊,图5 (e))被发现是相同的。这一发现表明,高能量短脉冲填充州更偏好明显但不导致更大的激进的数量。

主要和次要的燃烧物种的准稳定的州轮廓图所示6和7分别对脉冲宽度9 ns, 4 ns, 2 ns。CH的轮廓₄、有限公司₂H₂O,有限公司H₂阿,对应的数据6(一),6 (b),6 (c)和数字7(一),7 (b),7 (c),分别。如数据所示,轮廓几乎完全相同的三个不同的脉冲宽度。这预计因为放电动力学描述激进的生产(图5)也非常相似。这再次表明,化学上的平均功率是决定性因素,和小的好处是通过缩短脉冲到纳秒范围内。

4所示。结论

重复率的影响以及脉冲宽度对燃烧稳定性研究了纳秒脉冲放电重复计算模拟。在这些模拟,总平均放电功率保持不变。自从低重复率有较大的脉冲能量和一个相应的脉冲之间的时间,产生的气体温度上升和激进分子更大,但他们的准恒定值相应低于高重复率。然而,尽管这不同程度的动态演化,主要和次要的轮廓燃烧物种被发现是几乎完全相同的重复率和独立。缩短脉冲宽度,同时保持一种恒定的平均放电功率电子激发态物种的产生更高的峰值人口但整体准稳定的金额都是类似于脉冲宽度,因此燃烧产品的轮廓也类似。从这些模拟,我们发现得出的平均放电功率在燃烧稳定性的决定因素和小如果任何好处是通过不同操作参数如重复率和脉冲宽度的纳秒脉冲放电条件研究的范围。

确认

这项工作是由美国国家科学基金会和能源部通过NSF /能源部合作基础等离子体科学。m . s . Bak还支持由一个斯坦福大学研究生奖学金。

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