Laser-based measurements of gas-phase chemistry in non-equilibrium pulsed nanosecond discharges

• Published in: Comptes rendus. Mecanique Vol. 337; no. 6; pp. 504 - 516
• Main Authors: Grisch, Frédéric, Grandin, Guy-Alexandre, Messina, Dominique, Attal-Trétout, Brigitte
• Format: Journal Article Conference Proceeding
• Language: English
• Published: Paris Elsevier SAS 01.06.2009; Elsevier
• Subjects: Allumage; Applied sciences; Combustion; Diagnostic laser; Décharge impulsionnelle nanoseconde; Electron; Energy; Energy. Thermal use of fuels; Engines and turbines; Equipments for energy generation and conversion: thermal, electrical, mechanical energy, etc; Exact sciences and technology; Ignition; Laser diagnostic; Nanosecond discharge; Temperature; Température; Électron; Temperature; CH; Décharge impulsionnelle nanoseconde; Ignition; Combustion; Diagnostic laser; Électron; Laser diagnostic; Température; Electron; OH; Allumage; Nanosecond discharge; Methane; Premixed flame; CARS spectrometry; Ignition delay; Aircraft; Thomson scattering
• ISSN: 1631-0721; 1873-7234; 1873-7234
• DOI: 10.1016/j.crme.2009.06.021

Detailed experimental investigation of a non-equilibrium nanosecond pulsed discharge in premixed CH 4/air mixtures at atmospheric pressure has been carried out. The experiments demonstrated significant reductions in ignition delay and increased lean burn capability relative to conventional spark ignition. Advanced laser diagnostics have been used to identify the physical processes which lead to these improvements. The electron temperature and density properties were measured using laser Thomson scattering (LTS). Temperature measurements were performed using N 2 CARS thermometry to quantify the energy transfer in the gas mixture. Effect of the discharge on the local temperature shows the existence of the ignition of the gas mixture for equivalence ratio between 0.7 and 1.3. Fast development of a flame kernel is then observed. The experiment also shows that the flame can be sustained above the discharge due the repetitive ignition of the flame at the plasma repetition rate. Finally, OH and CH PLIF experiments were performed to confirm the large OH and CH streamer-induced production over the discharge volume. To cite this article: F. Grisch et al., C. R. Mecanique 337 (2009). L'analyse expérimentale de l'effet d'une décharge nanoseconde impulsionnelle répétitive dans un mélange gazeux CH 4/air à pression atmosphérique a été entreprise. Les expériences révèlent une réduction significative des délais d'allumage ainsi qu'une amélioration de la combustion en mélange pauvre comparées à celles obtenues suite à un allumage par bougie conventionnelle. L'analyse de ces processus physiques a été analysée au moyen de diagnostics lasers avancés. La température des électrons et la densité électronique ont été mesurées par diffusion laser Thomson (LTS). Des mesures de température, nécessaires pour quantifier les transferts d'énergie entre la décharge et la mélange gazeux, ont été réalisées par thermométrie DRASC sur la molécule d'azote. L'augmentation de la température des molécules neutres par la décharge entraîne un allumage du mélange gazeux dans la gamme de richesse 0.7–1.3, puis s'ensuit un rapide développement d'une flamme de type Kernel. Les expériences révèlent également que la flamme est auto entretenue au dessus de la décharge grâce à l'allumage répétitif induit par la cadence de répétition de production de la décharge. Finalement, les radicaux OH et CH ont été dosés par fluorescence induite par laser (PLIF). La large production de ces espèces dans les premiers instants de l'application de la décharge confirme le potentiel de cette décharge dans le changement des mécanismes chimiques nécessaire en vue de l'amélioration des processus de combustion. Pour citer cet article : F. Grisch et al., C. R. Mecanique 337 (2009).