Optical Diagnostics of Non-thermal Plasmas and Plasma-assisted Combustion
Författare
Summary, in Swedish
Popular Abstract in Swedish
Plasma består av fria elektroner, joner och neutrala partiklar och utgör det fjärde tillståndet av materia där de andra tre är fast-, flytande- och gasfas. Plasma är den vanligast förekommande tillståndet av materia i universum och uppskattas utgöra mer än 99% av universums totala massa. Naturligt förekommande plasma återfinner vi i blixtar, sol vinden, jonosfären och i solen men människan har även utnyttjat plasmats egenskaper i ett flertal uppfinningar såsom i lysrör och i TV-skärmar. Människans nyfikenheten och innovationsförmåga har därför lett till omfattande forskning kring plasmarelaterade fenomen och tillämpningar vilket resulterat i en rad viktiga uppfinningar samt en grundläggande förståelse för jordelivets existens.
Ett icke-termiskt plasma är en typ av plasma som karakteriseras av hög elektrontemperatur i relation till gasens temperatur. Dessa heta/snabba fria elektroner kollidera med omgivande molekyler och kan därmed skapa nya molekyler och atomer som har stor benägenhet att reagera med omgivande molekyler och på så sätt påverka miljösammansättningens kemi. Denna kemiska effekt vill man använda sig av i till exempel plasma-asisterad förbränning för att kunna styra och effektivisera förbränningen, vilket resulterar i minskade utsläpp av såväl växthusgaser som giftiga ämnen, ökad användningsflexibiliteten av existerande förbränningsanläggningar, samt minskning av förslitningsskador och driftsstop av förbränningsanläggningar. Det finns dock en rad oklarheter i forskningsområdet av plasma-assisterad förbränning, exempelvis vilken typ av plasmakälla som är bäst lämpad för plasma-assisterad förbränning samt vilka kemiska processer som kan och bör påverkas. I undersökningar av förlopp med höga spänningar, höga temperaturer samt aggressiv kemi är optisk diagnostik en kraftfull metod då man kan mäta temperaturfält, flödesdynamik samt ämnespecifika fördelningar på avstånd samt med minimal inverkan på mätmiljön.
I detta avhandlingsarbete tillämpas och utvecklas optisk diagnostik i syfte att förstå plasmarelaterade fenomen och tillämpningar. Den strörsta delen av arbetet har fokuserat på optiska studier av glidande urladdningsplasman. En glidande urladdning skapas i luften i det smalaste gapet mellan två divergerande elektroder om en tillräckligt hög spänning läggs över elektroderna. Genom att applicera ett gasflöde kan urladdningskanalen förlängas vilket också medför att plasmakolumnens kontaktpunkterna glider längs med elektroderna (och därav namnet glidande urladdning). Förlängningen av plasmakanalen pågår tills resistansen i plasmakanalen blir för stor och en ny kolumn av plasma antänds igen vid det kortaste elektrodavståndet och den gamla kanalen slutar därmed leda ström. Dessa dynamiska förlopp har studerats med höghastighetsfotografering för att förstå samspelet mellan gasflödet och plasmat. Vidare har ämnesspecifika studier gjorts med avbildande laserinducerade fluorescencemätningar av hydroxylradikaler och kväveoxid, som är två viktiga ämnen i plasmarelaterade tillämpningar. Laserbaserade temperaturmätningar har även visat att uppställningen för glidande urladdningar i Lund opererar i icketermisk jämvikt med sin omgivning, vilket gör uppställningen ideal för tillämpningar för påverkan av reaktiva gasflöden.
I studier av plasmats påverkan på förbränning har ett flera olika typer av plasmarelaterade verktyg använts såsom barriärurladdningar, glidande urladdningar, mikrovågor samt dielektriska barriärurladdningar och koronaurladdningar för produktion av ozon. Man har funnit att glidande urladdningar kan interagera med flamman och främja bildningen av formaldehyd och hydroxylradikaler i flamman. Dessutom har ökad formaldehydproduktion observerats då små mängder av ozon seedats in i flamman samt att mikrovågsstimulering av förbränningen ökar den kemiska aktiviteten i turbulenta flammor
Plasma består av fria elektroner, joner och neutrala partiklar och utgör det fjärde tillståndet av materia där de andra tre är fast-, flytande- och gasfas. Plasma är den vanligast förekommande tillståndet av materia i universum och uppskattas utgöra mer än 99% av universums totala massa. Naturligt förekommande plasma återfinner vi i blixtar, sol vinden, jonosfären och i solen men människan har även utnyttjat plasmats egenskaper i ett flertal uppfinningar såsom i lysrör och i TV-skärmar. Människans nyfikenheten och innovationsförmåga har därför lett till omfattande forskning kring plasmarelaterade fenomen och tillämpningar vilket resulterat i en rad viktiga uppfinningar samt en grundläggande förståelse för jordelivets existens.
Ett icke-termiskt plasma är en typ av plasma som karakteriseras av hög elektrontemperatur i relation till gasens temperatur. Dessa heta/snabba fria elektroner kollidera med omgivande molekyler och kan därmed skapa nya molekyler och atomer som har stor benägenhet att reagera med omgivande molekyler och på så sätt påverka miljösammansättningens kemi. Denna kemiska effekt vill man använda sig av i till exempel plasma-asisterad förbränning för att kunna styra och effektivisera förbränningen, vilket resulterar i minskade utsläpp av såväl växthusgaser som giftiga ämnen, ökad användningsflexibiliteten av existerande förbränningsanläggningar, samt minskning av förslitningsskador och driftsstop av förbränningsanläggningar. Det finns dock en rad oklarheter i forskningsområdet av plasma-assisterad förbränning, exempelvis vilken typ av plasmakälla som är bäst lämpad för plasma-assisterad förbränning samt vilka kemiska processer som kan och bör påverkas. I undersökningar av förlopp med höga spänningar, höga temperaturer samt aggressiv kemi är optisk diagnostik en kraftfull metod då man kan mäta temperaturfält, flödesdynamik samt ämnespecifika fördelningar på avstånd samt med minimal inverkan på mätmiljön.
I detta avhandlingsarbete tillämpas och utvecklas optisk diagnostik i syfte att förstå plasmarelaterade fenomen och tillämpningar. Den strörsta delen av arbetet har fokuserat på optiska studier av glidande urladdningsplasman. En glidande urladdning skapas i luften i det smalaste gapet mellan två divergerande elektroder om en tillräckligt hög spänning läggs över elektroderna. Genom att applicera ett gasflöde kan urladdningskanalen förlängas vilket också medför att plasmakolumnens kontaktpunkterna glider längs med elektroderna (och därav namnet glidande urladdning). Förlängningen av plasmakanalen pågår tills resistansen i plasmakanalen blir för stor och en ny kolumn av plasma antänds igen vid det kortaste elektrodavståndet och den gamla kanalen slutar därmed leda ström. Dessa dynamiska förlopp har studerats med höghastighetsfotografering för att förstå samspelet mellan gasflödet och plasmat. Vidare har ämnesspecifika studier gjorts med avbildande laserinducerade fluorescencemätningar av hydroxylradikaler och kväveoxid, som är två viktiga ämnen i plasmarelaterade tillämpningar. Laserbaserade temperaturmätningar har även visat att uppställningen för glidande urladdningar i Lund opererar i icketermisk jämvikt med sin omgivning, vilket gör uppställningen ideal för tillämpningar för påverkan av reaktiva gasflöden.
I studier av plasmats påverkan på förbränning har ett flera olika typer av plasmarelaterade verktyg använts såsom barriärurladdningar, glidande urladdningar, mikrovågor samt dielektriska barriärurladdningar och koronaurladdningar för produktion av ozon. Man har funnit att glidande urladdningar kan interagera med flamman och främja bildningen av formaldehyd och hydroxylradikaler i flamman. Dessutom har ökad formaldehydproduktion observerats då små mängder av ozon seedats in i flamman samt att mikrovågsstimulering av förbränningen ökar den kemiska aktiviteten i turbulenta flammor
Avdelning/ar
Publiceringsår
2015
Språk
Engelska
Dokumenttyp
Doktorsavhandling
Förlag
Lund Report on Combustion Physics
Ämne
- Fusion, Plasma and Space Physics
- Atom and Molecular Physics and Optics
Nyckelord
- High-speed photography
- Laser diagnostics
- Planar laser-induced fluorescence
- Plasma-assisted combustion
- Non-thermal plasmas
- Gliding arc discharge
- Optical diagnostics
- Particle tracking velocimetry
- Fysicumarkivet A:2015:Zhu
Status
Published
Handledare
ISBN/ISSN/Övrigt
- ISBN: 978-91-7623-463-1
Försvarsdatum
18 september 2015
Försvarstid
10:15
Försvarsplats
Lecture hall Rydbergssalen, Department of Physics, Sölvegatan 14, Lund University Faculty of Engineering, LTH.
Opponent
- Yiguang Ju (Professor)