Regimes of plasma-assisted ignition of turbulent hydrocarbon mixtures

湍流烃混合物的等离子体辅助点火方式

基本信息

  • 批准号:
    1903775
  • 负责人:
  • 金额:
    $ 30.82万
  • 依托单位:
  • 依托单位国家:
    美国
  • 项目类别:
    Standard Grant
  • 财政年份:
    2019
  • 资助国家:
    美国
  • 起止时间:
    2019-05-15 至 2023-08-31
  • 项目状态:
    已结题

项目摘要

Experiments indicate that a special class of plasmas known as non-thermal plasmas can ignite hydrocarbon/air mixtures under extremely fuel-lean condition where conventional ignition approaches have failed. These non-thermal plasmas act through highly reactive molecules that stimulate the combustion process with low energy input. In this project, we will develop and implement a robust and accurate predictive model that can be used to optimize the plasma- assisted ignition of turbulent flows in combustion devices. If successful, the model developed holds enormous potential to reduce combustion-generated emissions and improve thermal cycle efficiency with positive outcomes for energy security and the environment. The project features activities that seek to enhance undergraduate STEM education at UT Austin and are likely to be adopted in high schools (G9-12) throughout the United States upon completion of the project.Despite the technological promise with regard to improving energy conversion processes, a systematic understanding of the interaction of plasma discharges, coupled plasma and combustion chemical kinetics, and turbulent transport is lacking. Such understanding is required in order to implement plasma-assisted ignition (PAI) in practical devices towards low-emission and high-efficiency energy-conversion technology. The outcome of a PAI event depends on the competition between transport of energy and plasma-generated radicals out of the igniting kernel and accelerating chemical kinetics and heat release. In this project, we will identify the non-dimensional parameters that govern PAI of turbulent reactive mixtures and define regime diagrams by leveraging massively parallel and large-scale simulations. The high-fidelity physical models employed ensure that no closures are invoked. The flow configuration considered in our approach is a canonical homogeneous isotropic turbulent flow whereby the rates of turbulent transport and all other relevant scales may be carefully controlled. Consideration will be given to temporal and spatial scales of plasma discharges, turbulent flow, chemical kinetics, and rates of molecular diffusion of heat and mass. Data from simulations will be analyzed using powerful new mathematical techniques that quantify the competition of chemical reactions and transport locally and instantaneously during transient ignition events. An important aspect of our approach is that simulations will closely mirror PAI experiments in a turbulent combustion vessel conducted in parallel by our collaborators, providing the unique opportunity for direct comparisons.This award reflects NSF's statutory mission and has been deemed worthy of support through evaluation using the Foundation's intellectual merit and broader impacts review criteria.
实验表明,一种被称为非热等离子体的特殊类型的等离子体可以在燃料极度贫乏的情况下点燃碳氢化合物/空气混合物,而传统的点火方法已经失败。这些非热等离子体通过高活性分子起作用,这些分子以较低的能量输入刺激燃烧过程。在这个项目中,我们将开发和实施一个稳健和准确的预测模型,该模型可以用于优化燃烧装置中湍流的等离子体辅助点火。如果成功,开发的模型具有巨大的潜力,可以减少燃烧产生的排放,提高热循环效率,为能源安全和环境带来积极的结果。该项目的特点是加强德克萨斯大学奥斯汀分校的本科生STEM教育,项目完成后很可能在全美的高中(G9-12)采用。尽管在改进能源转换过程方面有技术希望,但对等离子体放电、耦合等离子体和燃烧化学动力学以及湍流传输的相互作用缺乏系统的了解。为了在实际装置中实现等离子体辅助点火(PAI),朝着低排放和高效的能量转换技术发展,这种理解是必要的。PAI事件的结果取决于能量和等离子体产生的自由基从点燃核中传输出来与加速化学动力学和热释放之间的竞争。在这个项目中,我们将确定控制湍流反应混合物的PAI的无量纲参数,并通过利用大规模并行和大规模模拟来定义区域图。所采用的高保真物理模型确保不会调用闭包。在我们的方法中考虑的流型是一种典型的均匀各向同性湍流,由此可以小心地控制湍流的输运速率和所有其他相关的尺度。将考虑等离子体放电的时间和空间尺度、湍流、化学动力学以及热和质量的分子扩散速率。来自模拟的数据将使用强大的新数学技术进行分析,这些技术可以量化化学反应的竞争,并在瞬变点火事件期间局部和瞬时传输。我们方法的一个重要方面是,模拟将密切反映由我们的合作者并行进行的湍流燃烧容器中的PAI实验,为直接比较提供了独特的机会。这一奖项反映了NSF的法定使命,并通过使用基金会的智力优势和更广泛的影响审查标准进行评估,被认为值得支持。

项目成果

期刊论文数量(10)
专著数量(0)
科研奖励数量(0)
会议论文数量(0)
专利数量(0)
Ignition of methane and ethylene via nanosecond pulsed discharges
通过纳秒脉冲放电点燃甲烷和乙烯
  • DOI:
    10.2514/6.2020-0426
  • 发表时间:
    2020
  • 期刊:
  • 影响因子:
    0
  • 作者:
    Deak, Nicholas E.;Bellemans, Aurelie;Bisetti, Fabrizio
  • 通讯作者:
    Bisetti, Fabrizio
Effects of Multiple Pulses on Nanosecond Discharges
  • DOI:
    10.2514/6.2023-0569
  • 发表时间:
    2023-01
  • 期刊:
  • 影响因子:
    0
  • 作者:
    A. Duarte;Nicholas Deak;F. Bisetti
  • 通讯作者:
    A. Duarte;Nicholas Deak;F. Bisetti
P-DRGEP: a novel methodology for the reduction of kinetics mechanisms for plasma-assisted combustion applications
P-DRGEP:一种减少等离子体辅助燃烧应用动力学机制的新方法
  • DOI:
    10.1016/j.proci.2020.06.363
  • 发表时间:
    2021
  • 期刊:
  • 影响因子:
    3.4
  • 作者:
    Bellemans, Aurélie;Kincaid, Nicholas;Deak, Nicholas;Pepiot, Perrine;Bisetti, Fabrizio
  • 通讯作者:
    Bisetti, Fabrizio
Plasma-assisted ignition of methane/air and ethylene/air mixtures: Efficiency at low and high pressures
等离子体辅助点燃甲烷/空气和乙烯/空气混合物: 低压和高压下的效率
  • DOI:
    10.1016/j.proci.2020.06.126
  • 发表时间:
    2021-04-13
  • 期刊:
  • 影响因子:
    3.4
  • 作者:
    Deak, Nicholas;Bellemans, Aurelie;Bisetti, Fabrizio
  • 通讯作者:
    Bisetti, Fabrizio
Skeletal Chemical Kinetics Mechanisms for Plasma-Assisted Combustion
等离子体辅助燃烧的骨架化学动力学机制
  • DOI:
    10.2514/6.2020-0176
  • 发表时间:
    2020
  • 期刊:
  • 影响因子:
    0
  • 作者:
    Bellemans, Aurelie;Deak, Nicholas E.;Bisetti, Fabrizio
  • 通讯作者:
    Bisetti, Fabrizio
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  • DOI:
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  • 发表时间:
    2024-01-01
  • 期刊:
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  • 作者:
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  • 通讯作者:
    Fabrizio Bisetti

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知道了