Large eddy simulations of plasma-assisted ignition through nanosecond repetitively pulsed discharges

The stabilization of combustion in difficult conditions, such as ultra-lean mixtures and aeronautical combustors, for emission reduction and performance improvement led to the development of new ignition technologies based on non-equilibrium plasma. Among these, nanosecond repetitively pulsed (NRP) discharges have emerged as an energy-efficient strategy to promote turbulent flame ignition in lean regimes. Due to the complex dynamics of non-equilibrium discharges, the understanding of plasma-flame interaction is still underway. The computational cost of coupled models of ionization and discharge development is too high to justify their applicability to 3D simulations of ignition processes, required to design ignition systems for practical applications. A recently developed high-level model for plasma-assisted combustion is used in this thesis to predict ignition probability in two configurations. The model reduces the effect of plasma discharges to a combination of ultra-fast gas heating and dissociation of molecular oxygen at the nanosecond scale, plus a delayed heating process at the microsecond scale. After describing the modelling assumptions, the results of two experimental studies of plasma-assisted combustion are reproduced with in a LES solver. In the first study, repeated sparks in a confined chamber show how multiple discharges interact generating turbulence in the discharge zone, resulting in a wrinkled flame and higher flame speeds. The second configuration targets the interaction of multiple discharge kernels with a steady flow in a duct. The results show good predictive power when the maximum plasma temperature is low, and acceptable results even outside the original range of validity of the model. Spark-turbulence interactions already seen in experiments are revisited thanks to the new insight of numerical simulations.

L'ottimizzazione della combustione in condizioni difficili, come miscele molto diluite e combustori aeronautici, ha incoraggiato lo sviluppo di nuove tecnologie d'innesco basate su vari tipi di plasma. Fra queste, scariche elettriche ripetute ultra brevi (nanosecond repetitively pulsed discharges) di durata intorno ai 10-100 nanosecondi sono emerse come una strategia versatile ed efficiente per l'innesco di miscele diluite in regime turbolento. A causa della dinamica dei plasmi non termici, la comprensione degli effetti delle scariche sui fronti di fiamma è incompleta. L'elevato costo computazionale dei modelli elettro-fluidodinamici più dettagliati per la formazione del canale di scarica scoraggia il loro uso in simulazioni 3D dei fenomeni d'innesco, richieste per lo sviluppo di applicazioni pratiche. Un modello empirico per l'interazione tra fiamma e scariche NRP di recente sviluppo è qui ripreso per simulare la probabilità d'innesco in due casi. Il modello riconduce gli effetti delle scariche ultra brevi alla somma di tre contributi: riscaldamento ultra veloce del gas e dissociazione dell'ossigeno molecolare, che avvengono entro 100 nanosecondi, e un riscaldamento più graduale sulla scala del microsecondo. Dopo aver descritto le ipotesi modellistiche adottate, i risultati di due campagne sperimentali in letteratura sono riprodotti in un codice di simulazione LES. Nel primo studio, scariche ripetute in una camera a tenuta stagna dimostrano che l'interazione fra impulsi in successione induce elevata turbolenza nella zona degli elettrodi, traducendosi in increspature nel fronte di fiamma e velocità di propagazione più elevate. Il secondo caso di studio prevede un tunnel di prova con l'obiettivo di osservare l'interazione fra i gas caldi depositati da un treno di scariche e un flusso di miscela combustibile. Il modello numerico dimostra un buon potere predittivo e consente di apprezzare lo sviluppo d'interazioni fra scariche e turbolenza già osservate, ma difficili da spiegare sulla base dei soli dati sperimentali.