Pulsed plasma generator development and low-temperature plasma-assisted combustion at atmospheric pressure

This thesis presents an experimental study of the engineering and physics of high-voltage nanosecond-pulsed diffuse discharges, and their application to the enhancement of lean-premixed combustion at atmospheric pressure. The technology development in this work is focused on providing appropriate low-temperature radical pools, and the experiments are aimed at demonstrating the effect of these pools for combustion actuation. The experimental results are focused on the explanation of the physical processes associated with these discharges. The discharge propagation and emission spectrum were examined, the distribution functions of particles along internal energy levels were calculated, and the resulting enhancement of combustion was observed. This work shows that the plasma emission from fuel-lean mixtures is primarily composed of high vibrational populations of electronically excited nitrogen molecules, upon which a low-temperature is measured on the rotational manifold. Previous work shows that these low-temperature excited particles will collide with molecular oxygen, or fuel molecules, to produce species (atomic/molecular ground/excited oxygen, fragmented fuel molecules…) that accelerate chain-branching reactions in the combustion reaction mechanism. This work shows that the majority of the electronically excited vibrational states of nitrogen molecules, in a diffuse discharge, decay rapidly after the application of a high-voltage pulse. These findings set the framework for the implementation of diffuse plasma to laboratory-scale combustion enhancement. As an integral part of this work, the design and development of electrical generators that can produce such a reactive medium in large volume is included, and extensively detailed. An inexpensive solid-state pulse generator, based on commercially available amorphous ferromagnetic materials, is designed and developed to drive capacitive loads. The generator is used to produce large volumes of diffuse plasma and increase the blow off velocity of stagnation flames. To further investigate this enhancement, an optically accessible plasma burner is implemented and used for the detailed study of stagnation flame plasma actuation. This work shows that significant actuation can be provided to a flame, when diffuse plasma is placed upstream, and directly in contact with the combustion front. The displacement of the leading edge of a flame, into the fresh unburned mixture, is measured following a high-voltage actuating pulse. The displacement of the leading edge strongly points toward low-temperature reactivity enhancement. The optical and electrical characteristics of the diffuse plasma are reported for both the non-combusting and combusting flows. These provide a more accurate picture of the thermal characteristics and complex phenomena occurring in this transient discharge. Streamer propagation dynamics and coupled energy measurements are reported to provide further insight regarding the delicate balance that exists between plasma and flame sheet in this experimental configuration. It can be concluded that diffuse plasma is an effective low-temperature chemical actuation method for combustion enhancement at atmospheric pressure.To conclude this work, the first step toward high-pressure actuation of combustion with diffuse plasma was explored. The task of producing diffuse plasma above atmospheric pressure was undertaken. This work presents the development of a second solid-state pulse generator with increased power delivery capabilities. The generator is used to produce large volumes of diffuse plasma in a high-pressure vessel filled with air. It is found that diffuse plasma actuation could eventually be implemented in a high-pressure combustion experiment using this technology.Cette thèse présente l'étude expérimentale de l'ingénierie et la physique des décharges diffuses, soutenues par impulsions à haute-tension de durée nanoseconde, et leur application en combustion assistée par plasma à pression atmosphérique. Le développement technologique compris dans cette thèse met l'emphase sur la circuiterie permettant la génération d'un plasma réactif, à basse température, pour l'actionnement de la combustion. Les résultats expérimentaux illustrent les effets bénéfiques de la décharge lorsqu'elle est appliquée à une flamme de stagnation. De plus, les résultats expérimentaux tentent d'expliquer les concepts physiques qui caractérisent ces décharges hautement transitoires. La propagation et l'émission optique de la décharge sont mesurées, les fonctions de distribution des modes énergétiques internes sont calculées et le renforcement de la combustion est ensuite observé. Les résultats démontrent que l'émission optique de la décharge diffuse d'un mélange pauvre méthane-air est composée presque exclusivement d'états électroniques excités de l'azote. Ces états sont sujets à de hautes populations vibrationnelles sur lesquelles une basse température rotationnelle se surimpose. Il est connu que les espèces chimiques, qui renforcent la combustion, sont produites lorsque que ces particules excitées entrent en collision avec l'oxygène moléculaire ou des molécules de carburant. Les résultats de cette thèse confirment que la grande majorité des particules des états électroniques excités de l'azote se détériorent très rapidement suivant une impulsion à haute-tension. Ces trouvailles imposent un nombre de contraintes vis-à-vis l'exploitation d'une décharge diffuse pour le renforcement de la combustion à l'échelle laboratoire.La conception et le développement d'un générateur d'impulsions électriques, capables de produire un plasma froid et réactif, à grand volume, sont inclus dans cette thèse. Un générateur d'impulsions à haute-tension à l'état solide à faible coût est développé. Ce dernier utilise des matériaux ferromagnétiques amorphes pour alimenter rapidement des charges capacitives. Des décharges diffuses à grand volume sont produites dans l'air à pression atmosphérique et la vitesse d'emportement des flammes est grandement augmentée. L'approfondissement de la compréhension de ce phénomène a nécessité le développement d'un brûleur optiquement accessible, dans lequel une décharge diffuse peut y être confinée. Ce brûleur a été utilisé pour étudier en plus grand détail le renforcement de la combustion sous l'actionnement d'une décharge diffuse. Les résultats montrent qu'un renforcement important peut-être apporté à une flamme de stagnation lorsqu'une décharge est placée en amont du front de combustion. Suite à l'application d'une impulsion, le front de combustion se déplace en amont, dans le mélange méthane-air. Le déplacement du front de combustion indique que le renforcement est lié à une augmentation de la réactivité chimique fournie par la décharge. Les caractéristiques optiques et électriques de la décharge sont présentées pour l'écoulement sans et avec combustion. La dynamique de la propagation de la décharge ainsi que les mesures d'énergie déposée illustrent la nature complexe du couplage plasma-flamme qui se présente dans cette configuration expérimentale. Au final, il peut être conclu qu'une décharge diffuse est un outil efficace permettant d'augmenter la réactivité chimique à basse température d'une flamme à pression atmosphérique.À titre de commentaire explorateur, la génération d'une décharge diffuse a été accomplie à une pression plus élevée que 1 atm. Le développement d'un deuxième générateur d'impulsion est présenté. Des décharges diffuses à grand volume sont produites dans un réacteur à haute pression dans l'air. Ces résultats montrent que le renforcement d'une flamme par décharge diffuse pourra éventuellement être une avenue de recherche en employant cette technologie