[論文レビュー] A numerical analysis of the impact of gas pressure and dielectric material on the generation of body force in an air gas plasma actuator

Sajad Hajikhani, Ramin Mehrabifard|arXiv (Cornell University)|Mar 11, 2024

Plasma Applications and Diagnostics被引用数 6

ひとこと要約

本研究では、COMSOL Multiphysicsを用いて、2次元空気プラズマアクチュエータにおけるガス圧および誘電体材料が体力発生に与える影響を数値的に調査した。結果から、石英およびミカは表面電荷分布が最適であるため、最も高い体力を発生させた。一方、760から560 torrへの圧力低下により、電子密度の増加と衝突頻度の低下に起因し、体力が最大22%向上した。

ABSTRACT

<p><strong>Abstract</strong></p> <p>Plasma technology has undeniably revolutionized industrial processes in recent decades. Atmospheric pressure plasma (APP) has emerged as a prominent and widely applicable tool in various scientific disciplines. Notably, plasma-assisted flow control has become a subject of intense interest, particularly applying surface dielectric barrier discharge (SDBD) plasma actuators for aerodynamic flow control. In this study, a two-dimensional model of the SDBD plasma actuator is developed using the COMSOL Multiphysics program, incorporating air gas discharge reactions with N<sub>2</sub>/O<sub>2</sub>/Ar gases in specific ratios (0.78, 0.21, 0.01). The investigation focuses on the impact of dielectric materials (mica, silica glass, quartz, and polytetrafluoroethylene (PTFE)) on plasma characteristics and body force within the plasma actuator under constant input parameters. Moreover, the study explores how variable pressure (760, 660, and 560 torr) in different applications influences plasma properties, ultimately affecting the magnitude of the body force in the plasma actuator. These findings contribute to optimizing plasma technology for flow control applications and enhance industrial efficiency and performance.</p>

研究の動機と目的

• 表面誘電体バリア放電（SDBD）プラズマアクチュエータにおける、異なる誘電体材料がプラズマ特性および体力に与える影響を分析すること。
• ガス圧（760、660、560 torr）の変化がプラズマ特性およびそれに伴う体力の大きさに与える影響を調査すること。
• 強化された空気力学的制御性能を実現するため、誘電体材料および圧力条件を最適化すること。
• ドリフト拡散方程式を用いて、大気圧条件下での空気放電（N₂/O₂/Ar）の物理的基盤に基づく数値モデルを構築すること。

提案手法

• 空気組成（N₂: 0.78、O₂: 0.21、Ar: 0.01）を想定した、SDBDプラズマアクチュエータの2次元軸対称モデルをCOMSOL Multiphysicsで構築した。
• 電子密度およびエネルギー輸送方程式を解くためにドリフト拡散モデルを適用し、電離、付着、励起反応を含めた。
• 電子の連続の式およびエネルギー方程式を、電子衝突プロセスのトーマン係数と非弾性衝突項を用いて解いた。
• 誘電体材料（ミカ、石英ガラス、石英、PTFE）を、それぞれ異なる誘電率および表面電荷蓄積特性を有するようにモデル化した。
• ガス圧を760、660、560 torrの3条件に変化させ、電子密度、電界、体力発生への影響を評価した。
• 体力は、プラズマ領域における電界と空間電荷密度から導出されたローレンツ力項から計算した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ミカ、石英ガラス、石英、PTFEといった異なる誘電体材料が、SDBDプラズマアクチュエータにおける表面電荷分布および体力に与える影響は何か？
• RQ2 760から560 torrへのガス圧低下が、プラズマ放電における電子密度および体力の大きさに与える影響は何か？
• RQ3 一定の入力電圧および圧力条件下で、どの誘電体材料が最も高い体力発生を実現するか？
• RQ4 圧力変化が、空気放電プラズマにおける電子エネルギー分布および電離効率にどのように影響を与えるか？

主な発見

• 石英およびミカ誘電体は、優れた電荷蓄積および電界強化特性のおかげで、最も高い体力を発生させた。特に、PTFEに比べて最大22%高い力を発生させた。
• ガス圧を760から560 torrに低下させることで、電子密度の増加と電子-中性粒子衝突頻度の低下に起因し、体力が約22%向上した。
• 560 torrでは760 torrと比較して電子密度が18%増加し、これがより強い電離および高い体力発生に寄与した。
• PTFEは誘電率が低く、表面電荷の局在性が悪いことから、電界強化が制限され、最も低い体力出力を示した。
• 石英ガラスは中程度の性能を示し、PTFEと石英の間の体力値を示した。これは、誘電体強度と表面電荷ダイナミクスのバランスが取れていることを示している。
• 高誘電率誘電体表面（石英）付近で体力分布が最も均一かつ強度が高く、放電ギャップにおける最大電界強度と相関した。