On phenomena in ionized gases


Download 9.74 Mb.
Pdf ko'rish
bet22/85
Sana24.01.2018
Hajmi9.74 Mb.
#25134
1   ...   18   19   20   21   22   23   24   25   ...   85

 

Aknowledgements 

The  authors  are  grateful  to  Física  de  Plasmas: 

Diagnosis,  Modelos  y  Aplicaciones  (FQM-136) 

research  group  from  the  University  of  Córdoba  and  

MINECO  project  MAT2016-79866-R  for  their 

technical and financial support. 



References 

[1]  C.  Yubero,  M.S.  Dimitrijevic,  M.C.  García 

and  M.D.  Calzada,  Spectrochim.  Acta  B  62  (2007) 

169. 


[2]  A.W.  Ali  and  H.R.  Giem,  Phys.  Rev.  140 

(1965) 1044. 

[3]  A.  W.  Ali  and  H.  R.  Griem.  Phys.  Rev.  144 

(1966) 366. 

Topic number: 6 

107


XXXIII. ICPIG, July 9-14, 2017, Estoril/Lisbon, Portugal 

 

 



On the axial and radial streamer dynamics in dielectric barrier discharges 

 

H. Höft



1

, M. Kettlitz

1

 

 



1

P

 INP Greifswald, Felix-Hausdorff-Straße 2, 17489 Greifswald, Germany  

 

The temporal development of the discharge channel in axial and radial direction was investigated 



in  pulsed  dielectric  barrier  discharges  (DBDs)  in  a  1  mm  gap  at atmospheric pressure  using an 

iCCD and a streak camera system accompanied by a fast electrical characterisation. The analysis 

of the two-dimensional DBD structure together with the axial and radial propagation revealed an 

increasing  DBD  emission  diameter  with  rising  axial  propagation  velocity  (cathode-directed 

streamer).  The  radial  dynamics  are  slower  compared  to  the  axial  propagation,  i.e.  the  radial 

expansion  velocity  (~10

m/s)  is  approx.  two  orders  of  magnitude lower than the maximal axial 



propagation velocity (~10

m/s). In addition, the streamer diameter is smaller than the channel of 



the transient glow-like discharge, which is formed after the streamer has crossed the gap. 

 

1. Introduction 

Dielectric  barrier  discharges  (DBDs)  are  a  common 

tool  to  generate  non-thermal  plasmas  at  atmospheric 

pressure,  which  have  a  broad  variety  of  applications 

[1].  Fundamental  investigations  on  the  DBD 

development,  however,  focus  mainly  on  the  axial 

dynamics,  i.e.  the  propagation  of  the  positive 

(cathode-directed)  streamer  and  the  subsequent 

transient  glow  phase.  Therefore,  this  study  is 

dedicated  to  both  axial  and  radial  breakdown 

dynamics.  In  addition,  pulsed  DBDs  are  proper  test 

objects  to  study  the  radial  dynamics  of  the  streamer 

itself, 


because 

there 


are 

similar 


underlying 

breakdown mechanisms, and the streamer diameter is 

directly connected to the electric field strength [2]. 

 

2. Experimental set-up 

A  single-filament  DBD  arrangement  (double-sided, 

half-sphere Al

2

O

3



 covered electrodes) with 1 mm gap 

was  used  [3].  The  DBDs  were  driven  by  unipolar 

positive HV pulses with 10

_

kV amplitude and 10



_

kHz 


repetition  rate  at  fixed  pulse  width  of  10 µs  in 

0.1 vol%  O

2

  in  N


2

.  Fast  electrical,  iCCD  and  streak 

camera  measurements  were  performed  to  record  the 

electrical  characteristics  as  well  as  the  spatio-

temporal  DBD  development  along  and  perpendicular 

to  the  discharge  channel  with  sub-mm  spatial  and 

sub-ns temporal resolution. 

 

3. Results 

In  figure  1,  the  two-dimensional  emission  structure 

and  the  corresponding  spatio-temporal  development 

in axial and radial direction are shown for a DBD at 

the  falling  slope  of  the  HV  pulse.  The  axial  DBD 

characteristics  feature  the  cathode-directed  streamer 

propagation (v

max

 ~ 10


6

 m/s) followed by the transient 

glow  phase.  The  radial  development  is  displayed  at 

three  positions  in  the  gap;  a  different  radial 

development is clearly visible, i.e. the slow expansion 

during  the  streamer  propagation  phase  and  the  fast 

channel broadening after the streamer has crossed the 

gap  (I,II).  Directly  in  front  of  the  cathode  (III),  no 

separation  is  visible,  because  the  glow  phase  starts 

just when the streamer hit the cathode’s surface. 

 

 

Figure 1:  Two-dimensional  emission  structure  (iCCD 

camera  image,  top  left)  and  the  corresponding  spatio-

temporal  discharge  development  (streak  camera  images) 

along  the  axis  and  radially  at  positions  (I)  to  (III)  as 

indicated by grey bars in the iCCD shot. 

 

4. References 

[1] U. Kogelschatz, B. Eliasson, W. Egli, J. Phys. 



IV France Colloque C4 47-66 (1997). 

[2] G.V. Naidis, Phys. Rev. E 79 057401 (2009). 

[3] M. Kettlitz, H. Höft, T. Hoder, S. Reuter, K.-

D.  Weltmann,  R.  Brandenburg,  J.  Phys.  D:  Appl. 



Phys. 45 245201 (2012). 

Topic number 10 

108


XXXIII ICPIG, July 9-14, 2017, Estoril/Lisbon, Portugal 

 

 



Coarse-Grained Simulation Method for Turbulent Nonequilibrium Plasma 

Flows 

 

S.M. Modirkhazeni



P

1

P



U

J.P. Trelles



UP

1

P



 

 

P



1

P

Department of Mechanical Engineering, University of Massachusetts Lowell, Lowell, United States of America 

 

Nonequilibrium  plasma  flows  in  diverse  applications  often  display  instabilities  and  turbulence. 



The direct simulation of turbulent plasma flows is exceedingly expensive due to the large range of 

scales involved, which has motivated the development of coarse-grained simulation strategies. The 

Variational  Multiscale-n  (VMS

n

) method is presented as a consistent and complete approach for 

the  coarse-grained  simulation  of  turbulent  nonequilibrium  plasmas.  The  method  builds  on  the 

VMS framework and does not rely on the use of empirical or model/problem-specific parameters. 

Preliminary  results  confirm  that  VMS

n

  produces  significantly  more  accurate  results  than  VMS, 

comparable with state-of-the-art approaches for other types of flow problems. 

 

1. Introduction 

Nonequilibrium  plasmas  are  at  the  core  of 

diverse  applications,  from  materials  processing  to 

medicine.  Thermodynamic  nonequilibrium  (NLTE) 

is  generally  a  consequence  of  the  interaction  of 

plasma with processing media. This interaction also 

incites  diverse  types  of  instabilities  and  often  leads 

to  turbulence.  The  direct  computational  simulation 

of  turbulent  plasmas  is  often  unfeasible  due  to  the 

wide  range  of  scales  involved,  which  prompts  the 

need  for  coarse-grained  simulation  approaches. 

Large  Eddy  Simulation  (LES),  the  standard  coarse-

grained approach for turbulent incompressible flows, 

largely relies on assumptions not valid for plasmas. 

 

2. Nonequilibrium plasma flow model 

The NLTE plasma flow model, described in [1], 

is  constituted  by  a  coupled  set  of  two-temperature 

(heavy-species and electrons) fluid conservation and 

electromagnetic equations. The model is treated as a 

single  system  of  transient-advective-diffusive-

reactive  equations,  which  allows  its  straightforward 

extension to accommodate other plasma models. 

 

3. Variational Multiscale-n formulation 

 The  Variational  Multiscale-n  (VMS

n

)  method  is 

consistent and complete



 approach for the simulation 

of turbulent flows without the need for empirical or 

model/problem-specific  parameters.  VMS

n

  is  built 

on  the  VMS  framework  based  on  a  variational 

decomposition  of  scales  into  large  (grid-scale)  and 



small  (unresolvable)  together  with  a  residual-based 

approximation  of  the  small  scales  [2].  A  major 

challenge  of  VMS  methods  is  the  handling  of  the 

nonlinearity  of  the  small  scales,  which  VMS



n

 

addresses  by  a  fixed-point  procedure  [3].  The  n  in 



VMS

n

  indicates  “nonlinear”  or  the  level  of 

approximation used, i.e., from n = 0 for the classical 

VMS method, to an exact description for n = ∞. 



 

4. Method validation and next steps 

Representative validation results are presented in 

Fig.  1  for  the  simulation  of  an  incompressible 

turbulent  free  jet.  The  VMS



n

  results  show 

significantly  improved  accuracy  than  VMS  and 

comparable  to  those  by  the  dynamic  Smagorinsky 

method,  the  state-of-the-art  LES  approach,  but 

without 


empirical 

or 


model/problem-specific 

parameters.  On-going  efforts  include  the  validation 

of  the  VMS

n

  method  with  experimental  data  of  the 

flow from a non-transferred arc plasma torch. 

 

 



Fig. 1: Incompressible jet flow: instantaneous normalized 

velocity magnitude for different methods. 

 

Acknowledgements:  This  work  has  been  founded 

by NSF award PHY-1301935. 

 

3. References 

[1] J.P. Trelles, S.M. Modirkhazeni, Comput. 

Methods Appl. Mech. Engrg (2014) 282, 87-131. 

[2] S.M. Modirkhazeni, J.P. Trelles, Comput. 

Methods Appl. Mech. Engrg (2016) 306, 276-298. 

[3] S. ModirKhazeni, J. Trelles, 22

nd

 Int. Symp. 



Plasma Chemistry, 2015. 

109



XXXIII ICPIG, July 9-14, 2017, Estoril/Lisbon, Portugal 

 

 



Investigation of streamer propagation and discharge development on 

dielectric surfaces  

 

M. Kettlitz



P

1

P



, R. Klink

UP

1,2



P

, H. Höft

1

1

P



, R. Brandenburg

P

1



P

 

 



P

1

P

 INP Greifswald, Felix-Hausdorff-Straße 2, 17489 Greifswald, Germany  

P

2

P

 Robert Bosch GmbH, Daimlerstraße 6,71229 Leonberg, Germany 



 

 

Streamer  propagation  and  discharge  development  on  ceramic  surfaces  in  nitrogen-oxygen  gas 



mixtures at atmospheric pressure was investigated. It was possible to force the discharge to develop 

on the surface using pin electrodes attached directly to the dielectrics. The discharges were driven 

with  unipolar  square  wave  high  voltages  of  10 kV  and  4.3  kHz.  Ignition  and  discharge 

development  on  the  surface  were  observed  with  ICCD  and  streak  cameras.  Images  of  single 

discharges showed a non-uniform and branched structure of discharge channels while accumulation 

over several events showed a propagation front rising from the electrode tip. The electrode polarity 

influenced  the  discharge  dispersion  and  propagation  velocity.  Positive  polarity  of  the  metallic 

electrode  (rising  slope  of  the  HV  pulses)  led  to  a  cathode-directed  streamer  with  higher 

propagation velocities than negative polarity (falling slope). 

 

1. Introduction 

Surface  dielectric  barrier  discharges  (SDBDs) 

create  transient  non-thermal  plasmas  [1-3]  and  are 

considerably  used  e.g.  for  gas  flow  control  or 

surface  modification  [1].  Propagation  of  the 

discharge  being  in  contact  to  a  dielectric  surface  is 

not fully understood yet, but is of importance for the 

application  of  SDBDs.  To  get  insight  in  this 

mechanism,  a  pin-to-pin  arrangement  was  used  to 

investigate single localized SDBDs on ceramics in a 

nitrogen-oxygen gas mixture. 



 

2. Experimental set-up 

The  discharge  arrangement  consisted  of  a  1 mm 

thick  alumina  (AL

2

O



3

)  plate  with  two  metal  pin 

electrodes  on  each  side  creating  a  3 mm  discharge 

gap  (figure 1).  One  electrode  was  covered  with 

silicone, thus plasma was generated only at one side. 

The  electrode  arrangement  was  inserted  in  a  gas 

tight  plexiglass  cell  and  a  gas  flow  of  100 sccm  of 

0.1  vol%  oxygen  in  nitrogen  was  flushed  through 

the cell. A unipolar square wave high voltage pulse 

of  10 kV  at  4.3 kHz  with  a  pulse  width  of  10 µs 

drove the uncovered electrode. The covered one was 

grounded.  Fast  current  and  voltage  probes 

monitored  ignition  and  discharge  development  on 

the  surface.  The  uncovered  pin  electrode  was 

observed optically with ICCD and streak cameras. 

 

3. Results 

During  rising  and  falling  slopes  of  the  high 

voltage  pulse,  one  discharge  channel  directly 

propagating  along  the  gas-surface  interface  was 

formed.  The  discharges  generated  surface  charges 

on the dielectrics, which led to a potential difference 

(i.e.    polarity)  to  the  pin  electrode.  The  images  of 

single  discharges  showed  a  non-uniform  and 

branched  structure  of  discharge  channels  while 

accumulation  over  several  events  showed  the 

inception  of  the  discharge  at  the  electrode  tip 

propagating off the tip.  

Velocity  measurements  with  the  streak  camera 

showed  the  slowing  down  of  the  discharge  front 

within 1 mm from the tip and afterwards a moderate 

one  on  the  dielectrics.  The  electrode  polarity 

influenced the discharge dispersion and propagation 

velocity.  Positive  polarity  of  the  uncovered 

electrode  (rising  slope  of  the  HV  pulses)  led  to  a 

cathode-directed  streamer  with  higher  propagation 

velocities  (v

max


 

 5·10



5

  m/s)  than  for  negative 

polarity  (falling  slope).  For  negative  polarity,  the 

discharge  was  well  localised  at  the  electrode  tip 

showing corona-like behaviour. 

 

 



 

Figure 1: Photo of SDBDs on the ceramic surface. 

 

4. References 

[1]  E.  Moreau,  R.  Sosa,  G.  Artana  J.  Phys.  D: 

Appl. Phys. 41 (2008) 115204 

[2]  H.  Grosch,  T.  Hoder,  K.-D.  Weltmann,  and 

R. Brandenburg, Eur. Phys. J. D 60(2010) 547–553 

[3]  Y.  Akishev,  G.  Aponin,  A.  Balakirev,  M. 

Grushin, V. Karalnik, A. Petryakov, N. Trushkin, J. 

Phys. D: Appl. Phys. 46 (2013) 464014

 

Topic number 10 



110

XXXIII ICPIG, July 9-14, 2017, Estoril/Lisbon, Portugal 

 

 



 Ablated mass in high-voltage circuit breakers following the nature of 

electrode material

 

M. Courrege



P

, J-J. Gonzalez

P

, P. Freton



PP

 

 



Laboratoire LAPLACE, Université Paul Sabatier – 31062 TOULOUSE cedex 9 

 

In  high-voltage  circuit  breakers  (HVCB),  the  electrical  arc  created  by  the  contacts  opening, 



interacts with the device materials (PTFE walls and electrodes). The interaction of the arc with the 

electrodes  leads  to  the  presence  of  metallic  vapours  within  the  plasma  due  to  ablation.  These 

vapours greatly influence the behaviour of the arc as they modify the radiative transfer, as well as 

the  plasma  properties.  We  have  been  interested  in electrode’s composition. Indeed, depending of 

the  electrode’s  material,  the  quantity  of  ablated  metal  differs  changing  the  plasma  behaviour.  In 

this  study  two  distinct  electrode  compositions:  pure  copper  and  copper-tungsten  mixture  are 

considered.   

 

1. Introduction 

During  contact  opening  in  HVCB,  the  arc 

interacts  with  the  surrounding  walls  and  the 

electrodes.  The  interaction  with  the  Teflon  nozzles 

(by radiation and conduction) must be considered as 

it allows the flow of gas to  increase the pressure in 

the  heating  volumes.  The  PTFE  wall  ablation  is 

taking into account in many models of arc in HVCB. 

In  our  study,  we  use  the  Christen’s  approach  [1]. 

The second interaction which must be considered is 

related to the plasma with the electrodes. Due to its 

complexity  and  lack  of  experimental  results  this 

interaction  is  less  considered  in  the  literature.  Its 

description  requires  the  development  of  anode  and 

the  cathode  models.  In  a  thin  layer  near  electrodes 

the  plasma  is  out  of  equilibrium.  Consequently,  a 

hydrodynamic  description  is  no  longer  suitable.  To 

overcome  the  complexity  of  a  kinetic  approach,  we 

chose  to  use  Benilov’s  ablation  model  [2]  to  take 

into  account  the  thin  layer  and  the  ablation  of 

electrodes.  It  allows  determining  the  properties  at 

the  layer/plasma  boundary  without  resolving  the 

non-equilibrium area.    

A  global  description  of  the  plasma  with  the 

electrodes  interaction  is  realized  using  the  @Fluent 

software.  Depending  on  the  current  level  vapours 

proportion  change  the  plasma  properties  and  the 

pressure increase in the heating volume.  

 

2. Results  

Considering  pure  copper  electrodes  we  have 

previously  studied  the  influence  of  the  presence  of 

metallic  vapours  on  temperature  field,  radiation, 

electrical conductivity, on the ablated mass of PTFE 

or  on  the  pressure  rise  in  the  heating  volumes.  In 

order to get closer to real configuration, we propose 

simulation  results  obtained  with

 

20%Cu–80%W



 

electrodes.    We  can  see  in  the  figure  1  versus  time 

the  copper  mass  ablated  assuming  a  pure  copper 

electrode  and  a  Cu-W  mixture.  In  the  presented 

cases the alternative current is I=25kA. 

  

 



 

Figure 1: Copper quantity ablated from the electrode 

 

Depending  on  the  metallic  vapours  quantity  the 



plasma properties are modified changing the HVCB 

behaviour.  These  results  will  be  presented  in  a  two 

dimensional  (2D)  configuration  including  pin  and 

valve motions. 

 

3. Conclusion 

One transient turbulent 2D model is developed to 

describe  the  plasma  behaviour  in  a  HVCB.  The 

interaction  with  the  PTFE  walls  is  considered 

(Conduction  and  Radiation  by  DOM  and  P1 

models).  The  thin  layers  close  to  the  electrodes  are 

considered  and  the  metallic  vapour  distribution 

calculated.  Following  the  nature  of  the  electrodes, 

the  copper  mass  fraction  field  differs  changing  the 

plasma  properties  and  the  HVCB  characteristics. 

These results will be presented and discussed.  

 

4. References 

[1] T. Christen. J. Phys. D: Apll. Phys. (2007).  

[2]  M.S.  Benilov,  S.  Jacobsson,  A.  Kaddani,  S. 

Zahrai. J. Phys. D: Apll. Phys. (2001). 

111


XXXIII ICPIG, July 9-14, 2017, Estoril/Lisbon, Portugal 

 

 



Investigation of the RF power transfer efficiency 

of a planar ICP operated in Hydrogen 

 

S. Briefi



 1

, D. Rauner

 1, 2

, U. Fantz



 1, 2

 

 



1

AG Experimentelle Plasmaphysik, Universität Augsburg, 86135 Augsburg, Germany 

2

Max-Planck-Institut für Plasmaphysik, Boltzmannstr. 2, 85748 Garching, Germany

 

 



RF  coupling  efficiencies  were  investigated  for  low  pressure  low  temperature  hydrogen  plasmas 

generated in a planar ICP. The measurements revealed that the power transfer efficiency  defined 

by the ratio of RF power delivered by the generator to the power absorbed by the plasma, exhibits 

a  peak  for  varying  pressure  and  increases  with  higher  power.  Furthermore,    improves  when  the 

thickness of the dielectric window between the RF solenoid and the discharge chamber is reduced. 

 

1. Introduction 

An  important  task  for  optimizing  low  pressure 

processing ICPs is improving the transfer of the RF 

power from the RF circuit to the plasma. The power 

transfer  (or  coupling)  efficiency   is defined as the 

ratio of the power delivered by the generator P

delivered

 

to the power actually absorbed by the plasma P



plasma

Two kinds of losses are imposed on P



del

 lowering : 

losses due to ohmic heating in the RF network con-

ductors  and  losses  due  to  eddy  currents  that  are 

induced e.g. in metallic parts of the vacuum system. 

In  addition,  operational  parameters  such  as  gas 

pressure, RF power and frequency but also the setup 

geometry influence the coupling efficiency [1]. 

Most  investigations  up  to  now  focussed  on  rare 

gas  plasmas  but  in  many  processing  discharges, 

molecular  gases  are  applied.  Therefore,  the  investi-

gations  presented  in  this  contribution  were  carried 

out in low pressure hydrogen discharges at pressures 

between 1 and 10 Pa. 

 


Download 9.74 Mb.

Do'stlaringiz bilan baham:
1   ...   18   19   20   21   22   23   24   25   ...   85




Ma'lumotlar bazasi mualliflik huquqi bilan himoyalangan ©fayllar.org 2024
ma'muriyatiga murojaat qiling