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        :ref:`Go to the end <sphx_glr_download_examples_python_reactors_nanosecond_pulse_discharge.py>`
        to download the full example code.

.. rst-class:: sphx-glr-example-title

.. _sphx_glr_examples_python_reactors_nanosecond_pulse_discharge.py:


Nanosecond Pulse Plasma Simulation
==================================

This example simulates a nanosecond-scale pulse discharge in a reactor.
A Gaussian-shaped electric field pulse is applied over a short timescale.
The plasma reaction mechanism used is based on Colin Pavan's mechanism
for methane-air plasmas which is described in his Ph.D. dissertation and the
corresponding AIAA SciTech conference papers:

C. A. Pavan, "Nanosecond Pulsed Plasmas in Dynamic Combustion Environments,"
Ph.D. Thesis, Massachusetts Institute of Technology, 2023. Chapter 5.

C. A. Pavan and C. Guerra-Garcia, "Modelling the Impact of a Repetitively
Pulsed Nanosecond DBD Plasma on a Mesoscale Flame," in AIAA SCITECH 2022
Forum, Reston, Virginia: American Institute of Aeronautics and
Astronautics, Jan. 2022, pp. 1-15. DOI: 10.2514/6.2022-0975.

C. A. Pavan and C. Guerra-Garcia, "Modeling Flame Speed Modification by
Nanosecond Pulsed Discharges to Inform Experimental Design," in AIAA
SCITECH 2023 Forum, Reston, Virginia: American Institute of Aeronautics
and Astronautics, Jan. 2023, pp. 1-15. DOI: 10.2514/6.2023-2056.

Requires: cantera >= 3.2, matplotlib >= 2.0

.. tags:: Python, plasma, reactor network

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   :class: sphx-glr-single-img


.. rst-class:: sphx-glr-script-out

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     7.620e-08    300.000 101325.000 -254384.342987
     7.630e-08    300.000 101325.000 -254384.351423
     7.640e-08    300.000 101325.000 -254384.359851
     7.650e-08    300.000 101325.000 -254384.368270
     7.660e-08    300.000 101325.000 -254384.376681
     7.670e-08    300.000 101325.000 -254384.385084
     7.680e-08    300.000 101325.000 -254384.393479
     7.690e-08    300.000 101325.000 -254384.401865
     7.700e-08    300.000 101325.000 -254384.410243
     7.710e-08    300.000 101325.000 -254384.418613
     7.720e-08    300.000 101325.000 -254384.426974
     7.730e-08    300.000 101325.000 -254384.435328
     7.740e-08    300.000 101325.000 -254384.443673
     7.750e-08    300.000 101325.000 -254384.452009
     7.760e-08    300.000 101325.000 -254384.460338
     7.770e-08    300.000 101325.000 -254384.468658
     7.780e-08    300.000 101325.000 -254384.476971
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     7.800e-08    300.000 101325.000 -254384.493570
     7.810e-08    300.000 101325.000 -254384.501858
     7.820e-08    300.000 101325.000 -254384.510137
     7.830e-08    300.000 101325.000 -254384.518408
     7.840e-08    300.000 101325.000 -254384.526671
     7.850e-08    300.000 101325.000 -254384.534926
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     7.870e-08    300.000 101325.000 -254384.551412
     7.880e-08    300.000 101325.000 -254384.559642
     7.890e-08    300.000 101325.000 -254384.567865
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     7.920e-08    300.000 101325.000 -254384.592483
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     7.960e-08    300.000 101325.000 -254384.625195
     7.970e-08    300.000 101325.000 -254384.633353
     7.980e-08    300.000 101325.000 -254384.641503
     7.990e-08    300.000 101325.000 -254384.649645
     8.000e-08    300.000 101325.000 -254384.657779
     8.010e-08    300.000 101325.000 -254384.665905
     8.020e-08    300.000 101325.000 -254384.674022
     8.030e-08    300.000 101325.000 -254384.682132
     8.040e-08    300.000 101325.000 -254384.690234
     8.050e-08    300.000 101325.000 -254384.698328
     8.060e-08    300.000 101325.000 -254384.706413
     8.070e-08    300.000 101325.000 -254384.714491
     8.080e-08    300.000 101325.000 -254384.722561
     8.090e-08    300.000 101325.000 -254384.730623
     8.100e-08    300.000 101325.000 -254384.738678
     8.110e-08    300.000 101325.000 -254384.746724
     8.120e-08    300.000 101325.000 -254384.754762
     8.130e-08    300.000 101325.000 -254384.762792
     8.140e-08    300.000 101325.000 -254384.770814
     8.150e-08    300.000 101325.000 -254384.778829
     8.160e-08    300.000 101325.000 -254384.786836
     8.170e-08    300.000 101325.000 -254384.794835
     8.180e-08    300.000 101325.000 -254384.802825
     8.190e-08    300.000 101325.000 -254384.810809
     8.200e-08    300.000 101325.000 -254384.818784
     8.210e-08    300.000 101325.000 -254384.826751
     8.220e-08    300.000 101325.000 -254384.834711
     8.230e-08    300.000 101325.000 -254384.842662
     8.240e-08    300.000 101325.000 -254384.850606
     8.250e-08    300.000 101325.000 -254384.858542
     8.260e-08    300.000 101325.000 -254384.866471
     8.270e-08    300.000 101325.000 -254384.874391
     8.280e-08    300.000 101325.000 -254384.882304
     8.290e-08    300.000 101325.000 -254384.890209
     8.300e-08    300.000 101325.000 -254384.898106
     8.310e-08    300.000 101325.000 -254384.905995
     8.320e-08    300.000 101325.000 -254384.913877
     8.330e-08    300.000 101325.000 -254384.921751
     8.340e-08    300.000 101325.000 -254384.929617
     8.350e-08    300.000 101325.000 -254384.937475
     8.360e-08    300.000 101325.000 -254384.945326
     8.370e-08    300.000 101325.000 -254384.953169
     8.380e-08    300.000 101325.000 -254384.961005
     8.390e-08    300.000 101325.000 -254384.968832
     8.400e-08    300.000 101325.000 -254384.976652
     8.410e-08    300.000 101325.000 -254384.984465
     8.420e-08    300.000 101325.000 -254384.992269
     8.430e-08    300.000 101325.000 -254385.000066
     8.440e-08    300.000 101325.000 -254385.007855
     8.450e-08    300.000 101325.000 -254385.015637
     8.460e-08    300.000 101325.000 -254385.023411
     8.470e-08    300.000 101325.000 -254385.031177
     8.480e-08    300.000 101325.000 -254385.038936
     8.490e-08    300.000 101325.000 -254385.046687
     8.500e-08    300.000 101325.000 -254385.054431
     8.510e-08    300.000 101325.000 -254385.062167
     8.520e-08    300.000 101325.000 -254385.069895
     8.530e-08    300.000 101325.000 -254385.077616
     8.540e-08    300.000 101325.000 -254385.085329
     8.550e-08    300.000 101325.000 -254385.093035
     8.560e-08    300.000 101325.000 -254385.100733
     8.570e-08    300.000 101325.000 -254385.108423
     8.580e-08    300.000 101325.000 -254385.116106
     8.590e-08    300.000 101325.000 -254385.123782
     8.600e-08    300.000 101325.000 -254385.131450
     8.610e-08    300.000 101325.000 -254385.139110
     8.620e-08    300.000 101325.000 -254385.146763
     8.630e-08    300.000 101325.000 -254385.154409
     8.640e-08    300.000 101325.000 -254385.162046
     8.650e-08    300.000 101325.000 -254385.169677
     8.660e-08    300.000 101325.000 -254385.177300
     8.670e-08    300.000 101325.000 -254385.184915
     8.680e-08    300.000 101325.000 -254385.192523
     8.690e-08    300.000 101325.000 -254385.200124
     8.700e-08    300.000 101325.000 -254385.207717
     8.710e-08    300.000 101325.000 -254385.215303
     8.720e-08    300.000 101325.000 -254385.222881
     8.730e-08    300.000 101325.000 -254385.230452
     8.740e-08    300.000 101325.000 -254385.238015
     8.750e-08    300.000 101325.000 -254385.245571
     8.760e-08    300.000 101325.000 -254385.253120
     8.770e-08    300.000 101325.000 -254385.260661
     8.780e-08    300.000 101325.000 -254385.268195
     8.790e-08    300.000 101325.000 -254385.275721
     8.800e-08    300.000 101325.000 -254385.283241
     8.810e-08    300.000 101325.000 -254385.290752
     8.820e-08    300.000 101325.000 -254385.298257
     8.830e-08    300.000 101325.000 -254385.305754
     8.840e-08    300.000 101325.000 -254385.313243
     8.850e-08    300.000 101325.000 -254385.320726
     8.860e-08    300.000 101325.000 -254385.328201
     8.870e-08    300.000 101325.000 -254385.335668
     8.880e-08    300.000 101325.000 -254385.343129
     8.890e-08    300.000 101325.000 -254385.350582
     8.900e-08    300.000 101325.000 -254385.358028
     8.910e-08    300.000 101325.000 -254385.365467
     8.920e-08    300.000 101325.000 -254385.372898
     8.930e-08    300.000 101325.000 -254385.380322
     8.940e-08    300.000 101325.000 -254385.387738
     8.950e-08    300.000 101325.000 -254385.395148
     8.960e-08    300.000 101325.000 -254385.402550
     8.970e-08    300.000 101325.000 -254385.409945
     8.980e-08    300.000 101325.000 -254385.417333
     8.990e-08    300.000 101325.000 -254385.424714
     9.000e-08    300.000 101325.000 -254385.432087
     9.010e-08    300.000 101325.000 -254385.439453






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.. code-block:: Python


    import cantera as ct
    import numpy as np
    import matplotlib.pyplot as plt

    # Gaussian pulse parameters
    EN_peak = 190 * 1e-21  # 190 Td
    pulse_center = 24e-9  # 24 ns
    pulse_width = 3e-9  # standard deviation (3 ns)
    pulse_fwhm = pulse_width * 2 * (2 * np.log(2))**.5
    gaussian_EN = ct.Func1("Gaussian", [EN_peak, pulse_center, pulse_fwhm])

    # setup
    gas = ct.Solution('example_data/methane-plasma-pavan-2023.yaml')
    gas.TPX = 300., 101325., 'CH4:0.095, O2:0.19, N2:0.715, e:1E-11'
    gas.reduced_electric_field = gaussian_EN(0)
    gas.update_electron_energy_distribution()

    r = ct.ConstPressureReactor(gas, energy="off", clone=False)

    sim = ct.ReactorNet([r])
    sim.verbose = False

    # simulation parameters
    t_total = 90e-9
    dt_max = 1e-10
    dt_chunk = 1e-9  # 1 ns chunk
    states = ct.SolutionArray(gas, extra=['t'])

    print(f"{'t [s]':>10} {'T [K]':>10} {'P [Pa]':>10} {'h [J/kg]':>14}")

    # simulate in 1 ns chunks
    t = 0.0
    while t < t_total:

        # integrate over the next chunk
        t_end = min(t + dt_chunk, t_total)
        while sim.time < t_end:
            sim.advance(sim.time + dt_max) #use sim.step
            states.append(r.phase.state, t=sim.time)
            print(f"{sim.time:10.3e} {r.T:10.3f} {r.phase.P:10.3f} {r.phase.h:14.6f}")

        EN_t = gaussian_EN(t)
        gas.reduced_electric_field = EN_t
        gas.update_electron_energy_distribution()

        # reinitialize integrator with new source terms
        sim.reinitialize()

        t = t_end

    # Plotting
    fig, ax = plt.subplots(2, layout="constrained")

    ax[0].plot(states.t, states.X[:, gas.species_index('e')], label='e')
    ax[0].plot(states.t, states.X[:, gas.species_index('O2+')], label='O2+')
    ax[0].plot(states.t, states.X[:, gas.species_index('N2+')], label='N2+')
    ax[0].plot(states.t, states.X[:, gas.species_index('H2O+')], label='H2O+')
    ax[0].plot(states.t, states.X[:, gas.species_index('CH4+')], label='CH4+')
    ax[0].plot(states.t, states.X[:, gas.species_index('O')], label='O')
    ax[0].plot(states.t, states.X[:, gas.species_index('N2(A)')], label='N2(A)')
    ax[0].plot(states.t, states.X[:, gas.species_index('N2(B)')], label='N2(B)')
    ax[0].plot(states.t, states.X[:, gas.species_index('N2(C)')], label='N2(C)')
    ax[0].plot(states.t, states.X[:, gas.species_index("N2(a')")], label="N2(a')")
    ax[0].plot(states.t, states.X[:, gas.species_index('CH3')], label='CH3', linestyle='--')
    ax[0].plot(states.t, states.X[:, gas.species_index('CO2')], label='CO2', linestyle='--')
    ax[0].plot(states.t, states.X[:, gas.species_index('CO')], label='CO', linestyle='--')
    ax[0].plot(states.t, states.X[:, gas.species_index('H2O')], label='H2O', linestyle='--')
    ax[0].plot(states.t, states.X[:, gas.species_index('H')], label='H', linestyle='--')
    ax[0].plot(states.t, states.X[:, gas.species_index('OH')], label='OH', linestyle='--')
    # N2 vibrational states
    """ ax[0].plot(states.t, states.X[:, gas.species_index('N2(v1)')], label='N2(v1)')
    ax[0].plot(states.t, states.X[:, gas.species_index('N2(v2)')], label='N2(v2)')
    ax[0].plot(states.t, states.X[:, gas.species_index('N2(v3)')], label='N2(v3)')
    ax[0].plot(states.t, states.X[:, gas.species_index('N2(v4)')], label='N2(v4)')
    ax[0].plot(states.t, states.X[:, gas.species_index('N2(v5)')], label='N2(v5)')
    ax[0].plot(states.t, states.X[:, gas.species_index('N2(v6)')], label='N2(v6)')
    ax[0].plot(states.t, states.X[:, gas.species_index('N2(v7)')], label='N2(v7)')
    ax[0].plot(states.t, states.X[:, gas.species_index('N2(v8)')], label='N2(v8)') """

    ax[0].set_yscale('log')
    ax[0].set_ylim([1e-14, 1e-3])

    ax[1].plot(states.t, states.T, label='T')
    ax2 = ax[1].twinx()
    EN_values = [gaussian_EN(t) for t in states.t]
    ax2.plot(states.t, EN_values, label='E/N', color='tab:red', linestyle='--')
    ax2.set_ylabel('E/N', color='tab:red')
    ax2.tick_params(axis='y', labelcolor='tab:red')

    for axx in ax:
        axx.legend(loc='lower right', ncol=2)
        axx.set_xlabel('Time [s]')

    ax[0].set_ylabel('Mole fraction [-]')
    ax[1].set_ylabel('Temperature [K]')

    plt.show()


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   **Total running time of the script:** (0 minutes 7.106 seconds)


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