论文速读:一例等离子反应与燃烧反应混合建模典范

论文速读 发布于 2023-9-11 01:39

本期速读两篇等离子反应与燃烧反应模型成功结合的典范:等离子体点火反应动力学模拟。

ZDPlaskin、Globalkin是等离子体反应动力学模拟领域最广为人知的计算代码了,随着等离子与其他学科交叉的应用研究逐步深入,将经典等离子体代码与其他专业(尤其是化工)进行代码组合成为重要的趋势。

本期速读两篇等离子反应与燃烧反应模型成功结合的典范:等离子体点火反应动力学模拟。

[1] Xingqian Mao, Aric Rousso, Qi Chen, Yiguang Ju. Numerical modeling of ignition enhancement of CH4/O2/He mixtures using a hybrid repetitive nanosecond and DC discharge. Proceedings of the Combustion Institute, 2019, 37: 5545–5552.
[2] Xingqian Mao, Qi Chen, Aric C. Rousso, Timothy Y. Chen, Yiguang Ju. Effects of controlled non-equilibrium excitation on H2/O2/He ignition using a hybrid repetitive nanosecond and DC discharge. Combustion and Flame, 2019, 206: 522-535.


研究内容

约化电场强度(E/N)是控制等离子体能量传递的重要参数,其大小决定了活性粒子产生的种类和方向。以CH4/O2/HeH2/O2/He混合气为例,E/N直接决定了电子能量在不同组分之间的分配(如下图)。

众所周知脉冲放电E/N极高,能够产生较多自由基和活性组分,但粒子寿命、作用时间短;低压直流放电电场低,化学效应很难发挥。文章试图将脉冲和直流两种放电方式相结合,脉冲产生活性组分并利用直流放电维持,以期获得更强的点火效果。

研究方法

文章使用ZDPlaskin+Chemkin结合的方法,将两个领域的经典代码结合了起来,使用ZDPlaskin计算电子碰撞相关反应,在Chemkin中计算热力学相关反应和中性组分反应,并实现了代码间数据交换的关键技术。

使用该混合方法,计算了纳秒脉冲-直流组合放电的方式增强低温下燃料CH4/O2/He[1]H2/O2/He[2]点火的效果。


研究结论

文章的重要结果之一是不同初始温度和电场组合下的点火延迟时间。图中的信息整理简化如下:

(1)脉冲+直流组合对可以显著促进点火,温度越低效果越好。低温放电加速了原本较慢的链初始和链分支反应。同等放电能量如果换算为热量,其对点火的增强效果远小于放电:说明低温下等离子体化学效应远强于热效应

(2)在脉冲间隙产生稳定低电场,能够进一步强化点火。促进CH4/O2/He点火的最佳直流电场强度为5 Td,促进H2/O2/He点火的最佳直流电场强度为20 Td

(3)文章进一步进行了敏感性分析(上图),指出不同组分配比下最佳直流电场不同的原因在于CH4/O2/He混合物中,O2(a1∆g)在直流电场阶段对点火更重要,而H2/O2/He混合物中,振动激发态、O2(a1∆g)和O、H和OH自由基均对点火起关键作用,而O、H和OH自由基随电场升高产量增大


ps 该系列文章引起了工坊君的很大兴趣,原因在于,虽然其研究背景仅仅指向等离子体点火助燃领域,但是其研究方法具有很强的推广拓展性,完全可以灵活的应用于各类等离子体化工研究中

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