Diagnostic study of low pressure supersonic DC plasma jets by emission spectroscopy and enthalphy probe techniques

Abstract

Le présent travail porte sur l'étude des caractéristiques d'un jet de plasma genere par une torche DC commerciale connectée à une chambre de pression contrôlée. Le gaz plasmagène utilise est un mélange compose d'argon, d'azote et d'hydrogène avec des débits volumiques de 40 , 10 et 1 LPM respectivement. La torche plasma opère à une puissance fixe de 17.5 kW et les pressions dans la chambre sont de 6.5,13, 26, 53 et 101 kPa. La spectroscopie optique par émission est utilisée pour mesurer la température des électrons et les profiles de densité des électrons. Les mesures de température sont réalisées à partir de graphe de Boltzman de plusieurs spectres isoles d'atome d'argon. La densité des électrons est mesurée a partir de l'élargissement de la raie Hg 486.1 nm et du continuum d'émissivité. Des spectres de bandes moléculaire N2 partiellement résolues sont utilisés pour évaluer la température de rotation. L'émission rotationnelle venant de la bande (0,0) du premier système négatif est compare au spectre synthétique pour évaluer la température de rotation. Finalement, les mesures de la température cinétique et de la vélocité du plasma sont réalisées par Ie biais de la technique de la sonde enthalpique. Les résultats expérimentaux montrent l'apparition et la position des différentes zones dynamiques des gaz, c'est-à-dire, expansion supersonique, front du choc stationnaire et la relaxation subsonique au basse pression ( < 40 kPa). Le jet de plasma est accéléré a sa vitesse maximale a l'expansion ou il a été observé que la densité des électrons et la température sont au minimum. Après l'expansion, l'onde de choc stationnaire survient à 4, 8, 12 et 15 mm de la sortie de la buse a des pressions respectives de 39, 26, 13 et 6.5 kPa. Les profiles de densité électroniques montrent les variations Ie long de l'axe du jet de plasma qui coïncident avec les positions des ondes de choc. Une bonne concordance entre les résultats des densités électroniques obtenues par 1'elargissement de la raie Hp produit par 1'effet Stark et du continuum d'émissivité a été observée.

Abstract: In this work, the characteristics of plasma jets produced by a commercial DC plasma spray torch connected to a controlled pressure chamber are investigated. The plasma gas employed is a mixture of argon, nitrogen and hydrogen with the initial gas flow rates of 40, 10, and 1 SLPM respectively. The plasma torch is operated at chamber pressures of 6.5, 13, 26, 39, 53 and 101 kPa and a fixed input power of 17.5 kW. Optical emission spectroscopy is used to measure the temperatures and electron density profiles. The measurements of temperature are carried out by means of a Boltzmann plot of several isolated argon atom spectral lines. The electron density is measured from the Stark broadening of the H[subscript bêta] line 486.1 nm and the continuum emissivity. Partially resolved spectra of the N[subscript 2]+ molecular band are used for the rotational temperature evaluation. The rotational emission from the (0,0) band of the first negative system is compared to synthetic spectra to evaluate the rotational temperature within the flow field. Finally, the measurements of the gas kinetic temperature and the plasma velocity are performed by the enthalpy probe technique. The experimental results show the occurrence and the position of the different gas dynamics zones; i.e., supersonic expansion, stationary shock front and subsonic relaxation at low pressures (less than 40 kPa). The plasma flow is accelerated to its maximum velocity at the expansion where a minimum in the electron density and temperature is observed. At the end of the expansion a stationary shock front occurs at 4, 8, 12, and 15 mm downstream from the nozzle exit at pressures 39, 26, 13 and 6.5 kPa respectively. The electron density profiles show the variations along the plasma axis that coincide with the position of the shock waves. Good agreement between the electron density results obtained from the Stark broadening and from the continuum emissivity is observed. Enthalpy probe measurements on gas kinetic temperature and plasma velocity reveal the general features of low pressure plasma jets, i.e., higher flow velocity and longer heating zone of expanded plasma with lower temperature. The measurements also coincide with the rotational temperature obtained from emission spectroscopy. The temperature results confirm that the local thermodynamic equilibrium LTE exists at pressures of 100 and 53 kPa. However, at lower pressures where the supersonic shock waves are formed, the slow energy exchange between the heavy and light particles leads to significant deviations from the LTE especially in the shock region.