Modeling simulation of reactive species distribution from compact air plasma jet in N2/O2 system using COMSOL multiphysics software

การจำลองการกระจายตัวของอนุมูลจากเครื่องคอมแพกต์แอร์พลาสมาเจ็ทในระบบไนโตรเจน/ออกซิเจนโดยใช้โปรแกรมคอมโซลมัลติฟิสิกส์

Name: Nattawut Palee

LCSH: cold air plasma jet

LCSH: reactive species ditribution

LCSH: 0D modeling

LCSH: 2D modeling

Abstract: This thesis signifies the development of a comprehensive map illustrating the distribution of reactive oxygen species. This was accomplished through the integration of the Quantemol global model with COMSOL Multiphysics software. The first model is established by including 8 species and 80 neutral chemical reactions, focusing on H2 plasma and O2 plasma within the effluence region of the apparatus. Within the domain of 0D modeling, the concentrations of reactive species resulting from H2 plasma and O2 plasma, coupled with minute humidity content (0.01%) were predicted. Notably, O2 plasma exhibited a heightened capability to generate diverse reactive oxygen species in comparison to H2 plasma. This distinction was confirmed by the eminence emission intensity of atomic oxygen (O) detected through optical emission spectroscopy of O2 plasma, contrasting with the preeminence of atomic hydrogen (H) emissions in H2 plasma. Employing a 10 ms simulation timeframe in a 2D model, the evolution of the distribution of reactive oxygen species originating from H2 plasma was predominantly concentrated around the central agar surface, while the distribution from O2 plasma encompassed the entire agar surface. In the context of N2/O2 plasma, experimental inquiries unveiled that the mean density of nitric oxide (NO) dwindled from 10 ppm to 2 ppm as airflow intensified, concurrently with an elevation in ozone (O3) density from 0 ppm to 0.8 ppm. Notably, the density of NO exhibited an upward trajectory as the pulse count increased, whereas the density of O3 exhibited a decline with a heightened pulse count. However, the upper threshold of ozone density consistently remained below 1 ppm. Through 0D simulations, we attained analogous orders of magnitude for NO density and flow rate correlations through domain size reduction and the inclusion of humidity-related reactions. Nevertheless, the mismatch in O3 density between modeling and the experimental results still persisted. Our exploration harnessed a 2D modeling approach to investigate the dispersion of reactive species. This simulation illuminated the penetration of nitric oxide (NO) into the affluent region, gradually diminishing within the initial 0.5 cm, while ozone (O3) dispersed radially, culminating at the target surface. Further examination of NO and O3 density distributions at a 20 ms time interval unveiled that the peak O3 density approached 2.0 mol/m3 (49000 ppm) in close proximity to the plasma cavity, while NO density attained its zenith at 2.5x10-3 mol/m3 (61 ppm) within the plasma volume. With the passage of time on the surface target, the O3 density progressively subsided to 1.5 mol/m3 (37 ppm), diffusing radially. Through the incorporation of humidity-related reactions, an augmented model showcased NO reaching the target surface through radial dispersion, while O3 entered the affluent domain, subsiding within the initial 0.5 cm. By incorporating moisture-related reactions, supplementary models show that nitric oxide reaches the target surface and can spread radially. while ozone decreases within 0.5 cm. At a 20 ms interval, O3 density surged to 3.5x10-2 mol/m3 (860 ppm), whereas NO density was measured at 8.0x10-4 mol/m3 (20 ppm) at the core of the afterglow region, gradually diminishing to 7.0x10-4 mol/m3 (17 ppm) at a distance of 0.5 cm. These revelations contribute to a more profound comprehension of the intricate dynamics governing the distribution of reactive species within the N2/O2 plasma environment.

Abstract: วิทยานิพนธ์นี้แสดงถึงการพัฒนาแบบจำลองซึ่งแสดงให้เห็นการกระจายตัวของอนุมูลออกซิเจนและไนโตรเจน ซึ่งเป็นการบูรณาการโมเดล 0 มิติ โดยใช้โปรแกรม Quantemol-DB เข้ากับโมเดล 2 มิติ โดยใช้โปรแกรม COMSOL Multiphysics แบบจำลองแรกสร้างขึ้นโดยการพิจารณา 8 อนุมูลและ 80 ปฏิกิริยาของไฮโดรเจนและออกซิเจน โดยมุ่งเน้นไปที่การศึกษา พลาสมาของแก๊สไฮโดรเจน (H2) และพลาสมาของแก๊สออกซิเจน (O2) ภายในบริเวณปริมาตรพลาสมา ภายในขอบเขตแบบจำลอง 0 มิติ เราได้พิจารณาความเข้มข้นของอนุมูลของออกซิเจน ซึ่งเป็นผลมาจากพลาสมาของแก๊สไฮโดรเจนและพลาสมาของแก๊สออกซิเจนที่ประกอบด้วยปริมาณความชื้นเล็กน้อย (0.01%) โดยเฉพาะอย่างยิ่ง พลาสมาของแก๊สออกซิเจนแสดงความสามารถในการสร้างอนุมูลออกซิเจนที่หลากหลายได้มากกว่าเมื่อเปรียบเทียบกับพลาสมาของแก๊สไฮโดรเจน ความแตกต่างนี้ถูกเน้นย้ำด้วยผลการวัดความเข้มแสงการปลดปล่อยแสงของอะตอมออกซิเจน (O) ซึ่งตรวจพบผ่านเครื่องสเปกตรัมทางแสงของพลาสมาของแก๊สออกซิเจน ซึ่งแตกต่างจากความโดดเด่นของการปลดปล่อยแสงอะตอมไฮโดรเจน (H) ในพลาสมาของแก๊สไฮโดรเจน และจากแบบจำลอง 2 มิติ ที่เวลา 10 ms วิวัฒนาการของการกระจายตัวของอนุมูลออกซิเจนที่มาจากพลาสมาของแก๊สไฮโดรเจน นั้นส่วนใหญ่กระจุกตัวอยู่บริเวณพื้นผิววุ้นส่วนกลาง ในขณะที่การกระจายตัวจากพลาสมาของแก๊สออกซิเจนครอบคลุมพื้นผิววุ้นทั้งหมด ในบริบทของพลาสมาอากาศ (พลาสมาของแก๊สไนโตรเจนและแก๊สออกซิเจน: N2/O2) จากการทดลองด้วยเครื่องตรวจจับแก๊สพบว่าความหนาแน่นเฉลี่ยของไนตริกออกไซด์ (NO) ลดลงจาก 10 ppm เป็น 2 ppm เนื่องจากการไหลของอากาศมีค่ามากขึ้น ควบคู่ไปกับการเพิ่มขึ้นของความหนาแน่นของโอโซน (O3) ตั้งแต่ 0 ppm ถึง 0.8 ppm นอกจากนี้ยังพบว่าความหนาแน่นของไนตริกออกไซด์เพิ่มขึ้นเมื่อจำนวนพัลส์เพิ่มขึ้น ในขณะที่ความหนาแน่นของโอโซนแสดงการลดลงเมื่อจำนวนพัลส์เพิ่มขึ้น อย่างไรก็ตามความหนาแน่นของโอโซนยังคงอยู่ต่ำกว่า 1 ppm ด้วยการจำลอง 0 มิติ พบความสัมพันธ์ที่คล้ายกันของความหนาแน่นและอัตราการไหลของไนตริกออกไซด์ จากการลดขนาดของโดเมนและการเพิ่มปฏิกิริยาที่เกี่ยวข้องกับความชื้น อย่างไรก็ตาม ความแตกต่างในความหนาแน่นของโอโซนระหว่างการทดลองและการคำนวนยังคงมีอยู่ จากการศึกษาด้วยแบบจำลอง 2 มิติเพื่อตรวจสอบการแพร่กระจายของอนุมูลออกซิเจนและไนโตรเจน การจำลองนี้แสดงให้เห็นการเข้าของไนตริกออกไซด์สู่โดเมนบริเวณที่มีอิทธิพลจากพลาสมา จากนั้นจะลดลงภายในระยะเริ่มต้น 0.5 cm ในขณะที่โอโซนสามารถกระจายตัวไปที่บริเวณพื้นผิวเป้าหมายและยังสามารถกระจายตัวได้ในแนวรัศมี ที่เวลา 20 ms เผยให้เห็นว่าความหนาแน่นสูงสุดของโอโซนเข้าใกล้ 2.0 mol/m3 (49000 ppm) ในบริเวณใกล้เคียงกับปริมาตรพลาสมา ในขณะที่ความหนาแน่นของไนตริกออกไซด์สูงสุดที่ 2.5x10-3 mol/m3 (61 ppm) บริเวณภายในปริมาตรพลาสมา เมื่อเวลาผ่านไปที่บริเวณพื้นผิวเป้าหมายความหนาแน่นของ O3 ลดลงเล็กน้อยเหลือ 1.5 mol/m3 (37 ppm) โดยยังสามารถกระจายตัวในแนวรัศมี ด้วยการผสมผสานปฏิกิริยาที่เกี่ยวข้องกับความชื้น แบบจำลองเสริมแสดงให้เห็นว่าไนตริกออกไซด์ สามารถเข้าถึงพื้นผิวเป้าหมายและยังสามารถกระจายตัวได้ในแนวรัศมี ในขณะที่โอโซนลดลงภายในระยะ 0.5 cm ที่เวลา 20 ms ความหนาแน่นของโอโซนเป็น 3.5x10-2 mol/m3 (860 ppm) โดยความหนาแน่นไนตริกออกไซด์อยู่ที่ 8.0x10-4 mol/m3 (20 ppm) ที่แกนกลางของบริเวณปริมาตรพลาสมา และลดลงเหลือ 7.0x10- 4 mol/m3 (17 ppm) ที่บริเวณพื้นที่เป้าหมาย การสร้างแบบจำลองเหล่านี้มีส่วนช่วยให้เกิดความเข้าใจที่ลึกซึ้งยิ่งขึ้นเกี่ยวกับพลวัตที่ซับซ้อนซึ่งควบคุมการกระจายของสปีชีส์ที่เกิดปฏิกิริยาภายในสภาพแวดล้อมของพลาสาของอากาศ (N2/O2)

Chiang Mai University. Library

Address: CHIANG MAI

Email: cmulibref@cmu.ac.th

Name: Dheerawan Boonyawan

Role: Advisor

Name: Nirut Pussadee

Role: Advisor

Created: 2023

Modified: 2567-01-13

Issued: 2024-01-13

วิทยานิพนธ์/Thesis

application/pdf

eng

DegreeName: Master of Science

Level: Master's Degree

Descipline: Physics

Grantor: Chiang Mai University

©copyrights Chiang Mai University

ลำดับที่.	ชื่อแฟ้มข้อมูล	ขนาดแฟ้มข้อมูล	จำนวนเข้าถึง	วัน-เวลาเข้าถึงล่าสุด
1	620531009.pdf	6.34 MB

ใช้เวลา

0.033833 วินาที