Yifei Zhu

Plasma technologies convert electrical power into energetic electrons, ions, reactive species, radiation and heat, thereby breaking through the bottleneck of purely thermal or chemical routes and bringing impressive changes to our world. This roadmap reviews the progress and challenges of plasma technologies from a large‐scale and application‐driven perspective. It covers plasma–material interaction (i.e., surface modification, material preparation and semiconductor processing), aerospace applications (i.e., plasma propulsion, plasma‐assisted aerodynamics, plasma‐assisted ignition and combustion), applications in the energy field (i.e., industrial arc discharge, plasma catalysis for decarbonisation including CO ₂ conversion, nitrogen fixation and hydrogen‐related processes, and plasma‐enabled resource recovery) and applications related to human health (i.e., biomedicine, plasma disinfection/sterilisation, agriculture and food). We also present a unified cross‐comparison of mainstream plasma sources and practical selection guidelines. Beyond reviewing these advances, this roadmap argues that the large‐scale deployment of plasma technologies will be governed by four constraints: controllability of plasma parameters and discharge modes during scale‐up, system‐level energy efficiency from grid to outcome, long‐term reliability and maintainability in realistic environments, and outcome‐relevant diagnostics and harmonised benchmarking. The authors hope this roadmap will enrich the track record and enable cutting‐edge advances in plasma technologies over the next 5–10 years.

Against the background of demanding ignition stability requirements for high-temperature-rise aero-engine combustors, this paper numerically explores transient ignition and flame evolution in a gliding arc plasma-assisted multi-swirl combustor via a 3D two-phase URANS turbulent combustion approach. It employs the realizable k-ε, eddy dissipation concept, and discrete phase models alongside a self-built gliding arc trajectory and thermal-reaction coupling model to reproduce the full process of arc discharge, initial flame kernel generation, flame propagation, and self-sustained combustion. Results show that gliding arc plasma deposits energy and momentum to regulate local flow structure, fuel atomization, and active species generation including O and OH radicals. The initial flame kernel forms at 6.4 ms dominated by plasma-induced radical reactions and optimal local equivalence ratio. A newly defined heat release-dissipation Damköhler number (Da_hd) is proposed as a criterion for flame stability: Da_hd > 1 enables self-sustained flame propagation while Da_hd < 1 leads to flame extinction due to dominant turbulent dissipation. The intermediate recirculation zone and low-velocity zone provide favorable low-turbulence environments for flame anchoring. Eventually, the flame evolves into a stable V-shaped global propagation structure under the synergistic effect of plasma periodic energy supplementation, flow recirculation, and turbulent mixing. This paper reveals the multi-field coupling mechanism of plasma-flow-chemistry and provides a theoretical basis for the application of gliding arc plasma in aero-engine combustor ignition enhancement.

Low-temperature plasma offers a promising pathway for sustainable production of HNO₃ directly from air and H₂O under ambient conditions. However, most plasma electrodes suffer from a low yield rate and selectivity of NO₂, which limits the efficiency of HNO₃ production. In this study, we propose a strategy to improve the NO₂ yield by regulating the electron temperature (T_e) in spark discharge. An array electrode with multiple vertically oriented hollow Cu rods is designed to reduce localized energy deposition and optimize T_e. At an airflow rate of 300 SCCM, the array electrode achieves a yield rate for NO₂ of 17.85 mmol h^–1, which is 10.8 times higher than that (1.65 mmol h^–1) of the conventional single electrode. Notably, after absorption in 300 mL of H₂O, the array electrode produces a pure HNO₃ solution with a concentration as high as 680.5 mM within a 12 h discharge time.

The application of gliding arc plasma in ignition and combustion enhancement is becoming increasingly widespread, but the evolution of its parameters during the non-equilibrium stage remains poorly understood. Numerical simulation is a crucial tool for elucidating mechanisms and supporting designs. However, the highly disordered nature of gliding arc trajectories and strong thermochemical coupling pose significant challenges for modeling. In this work, a trajectory-informed zero-dimensional gliding arc model is developed, which incorporates trajectory inversion to extract characteristic parameters and accounts for mass and heat transfer dynamics, enabling more accurate simulation of arc’s transient evolution compared with existing models. Computational results indicate that the length of the gliding arc varies approximately linearly with time. The thermal loss of the gliding arc primarily originates from mass transfer rather than heat transfer, and vibrational energy is the primary heat source. For the air gliding arc, the gas temperature decreases from around 3600 K to around 500 K during the elongation process, while the mole fraction of atomic O drops from 3% to 0.1%. Approximately 23%-35% of the total energy is used for gas heating. This model can be further simplified into a surrogate model for application in computational fluid dynamics simulations.

Numerical Study of Nanosecond Capillary and Surface Dielectric Barrier Discharges : Kinetics, Transport and Fluid Responses: Les décharges pulsées nanoseconde sont caractérisées par un fort champ réduit (centaine Td) et une forte thermodynamique hors-équilibre. Ils ont de l’énergie électronique de quelques eV à quelques dizaine eV et la déposition d’énergie spécifique de 10⁻³ eV/mol à quelques eV/mol.Deux configurations particulières sont étudiées: (i) décharge capillaire nanoseconde (nCD) fonctionnant à la pression modérée et à une haute, et (ii) décharge contrôlée par barrière diélectrique surfacique de nanoseconde, fonctionnant à la pression atmosphérique ou à la pression plus élevée, et à une énergie spécifique de la déposition relativement faible.La décharge capillaire nanoseconde est un outil expérimental pour analyser le nanoseconde plasma dans certaines conditions extrêmes. Des expériences récentes de nCD ont révélé que la cinétique du plasma change considérablement quand l’énergie spécifique de la déposition est plus élevée. L'un des objectifs du travail est d'étudier numériquement les effets de la cinétique modifiée sur la technique classique de la mesure de l’actinométrie, et sur l’évolution spatial-temporelle du plasma dans la décharge et en post-décharge.La décharge contrôlée par barrière diélectrique surfacique de nanoseconde a été largement étudiée dans la communauté de l'aérodynamique. Cependant, au début de démarrer le travail, les paramètres de nSDBD n'étaient pas bien compris, la comparaison des calculs numériques et des résultats expérimentaux n'étaient pas disponibles. Par conséquent, la modélisation de nSDBD et la comparaison avec des résultats expérimentaux sous les mêmes paramètres est un autre objet de la thèse.Le travail dans ce manuscrit est organisé en trois parties. Dans la première partie, la modélisation numérique et les expérimentations de l’actinométrie basée sur l’Ar sont utilisées pour étudier la densité de l’oxygène atomique dans une décharge capillaire nanoseconde. Un schéma cinétique décrivant le comportement cohérent de l'ensemble des données expérimentales est développé. Les processus principaux, qui sont responsables de la population et de la décroissance des trois espèces intéressés sont sélectionnés à base de l’analyse de la sensibilité et du taux. Le rôle des réactions entre les espèces excitées et les électrons a l’entrée de la post-décharge pour une décharge pulsée au grand champ électrique et haute énergie spécifique de la déposition est discuté.La deuxième partie est consacrée à étudier, analyser et prévoir des caractéristiques de la décharge et de la post-décharge de nCD sous différents énergie spécifique de la déposition , basées sur un code auto - cohérent bidimensionnel, nonPDPsim. La propagation de la décharge a été modélisée. Deux modes de propagation ont été identifiés, trois formes d'ondes d'ionisation sont trouvées en variant le rayon de tube. Le taux de décroissance et la distribution radiale des électrons et de N2(C3) dans la post-décharge sont étudiés en respectant l’énergie spécifique de la déposition.Finalement, un modèle parallèle bidimensionnel PASSKEy («PArallel Streamer Solver with KinEtics») a été développé et validé pour modéliser le nSDBD. Une série de calculs numériques pour un seul pulse de nSDBD dans l'air à la pression atmosphérique à une amplitude de tension de 24 kV a été effectuée, les résultats ont été comparés avec des résultats expérimentaux dans les mêmes conditions. Vitesse calculée et mesurée De l’entrée de la décharge, courant électrique, carte plan 2D d'émission de N2(C3)→N2(B3), et perturbations hydrodynamiques provoquées par la décharge sur l'échelle de temps sont analysées de 0, 2 à 5us. L'effet de différents processus cinétiques dans la distribution 2D de la chaleur est étudié. Les données sont présentées et analysées pour la polarité de tension négative et positive. Un ensemble de calculs paramétriques avec différentes permittivité diélectrique, différent épaisseur des diélectriques et différente pression ambiantes sont présentés.

The generation of reactive species and the associated energy efficiency (G-value) are critical metrics for plasma applications ranging from surface modification to plasma-assisted combustion. In this work, a comprehensive 2D axisymmetric fluid model incorporating a detailed chemical kinetic scheme for air is employed to investigate the energy deposition and chemical reactivity in nanosecond pulsed diffuse discharges. The model is rigorously validated against benchmark literature and experimental discharge current measurements. The study systematically explores the influence of voltage characteristics at atmospheric pressure and discharge polarity at low pressure (200 mbar). At atmospheric pressure, a critical trade-off is identified regarding voltage amplitude: while increasing amplitude (from 56 to 85 kV) significantly enhances total species production and energy deposition, it drastically reduces energy efficiency. Conversely, shortening the voltage rise time simultaneously enhances both the production yield and the energy efficiency (G-values) of key reactive species—such as reactive atomic species [O(3P), N(4S)], electronically/vibrationally excited states [N2(v)], and nitrogen oxide species (NO, N2O)—suggesting that rapid energy injection is key to optimizing diffuse discharges. At low pressure, the discharge polarity plays a dominant role; When the voltage amplitude is kept around 18 kV, at negative polarity discharges are found to outperform positive ones in both production volume and energy efficiency due to stronger ionization and wider spatial distribution. Furthermore, a comparative analysis reveals that low-pressure diffuse discharges generally exhibit higher G-values for atomic N and O production compared to atmospheric cases for a more favorable energy channeling at optimal reduced field and larger discharge volume.

A spark is a discharge phenomenon that occurs when streamers contact each other to form discharge channels and is characterized by rapidly increasing plasma densities and amounts of energy deposited. High–density plasma generally exists throughout the discharge channel, making numerical simulations challenging, especially under conditions requiring rapid evaluation. The conventional explicit plasma–fluid model exhibits extremely low computational speeds when modeling spark discharges, whereas the widely used linear field and ambipolar diffusion models require algorithm switching. Systematic evaluations and comparative analyses of streamer–to–spark processes have not yet been reported, and issues of computational efficiency and accuracy have not yet been adequately addressed. Therefore, in this study, we (1) compared, analyzed, and summarized the limitations of the conventional explicit plasma–fluid, linear field, and ambipolar diffusion models for spark–discharge simulations and (2) integrated structured adaptive mesh refinement and semi–implicit methods into the 2D parallel plasma solver PASSKEy to achieve comprehensive streamer–to–spark simulations without model switching. An optimal time–step range for our code in spark modeling is proposed, and the corresponding errors are estimated.

Rotating gliding arc (RGA) enhances combustion characteristics via effectively expanding the ignition–extinction boundary of the combustor. This study presents the design of a tower-type RGA actuator, along with gliding arc discharge experiments and computational fluid dynamics simulations. A semiempirical formula is proposed to predict the motion characteristics of the steady arc gliding mode (A–G mode) RGA. At 101 kPa, with inlet flow rates ranging from 600 to 1600 l min ⁻¹ , the breakdown frequency, rotational angular velocity and arc height of the A–G mode RGA demonstrate exponential, logarithmic and linear growth patterns, respectively. The semiempirical formula enables prediction of the motion characteristics of RGA based on the structural parameters of the prototype swirler and the inlet airflow rate, with an average error of 7.2% and a maximum error <12%. This study offers technical support for the parametric design of RGA actuators.