[論文レビュー] Dielectric Barrier Discharge Actuators: Experimental and Numerical Study of Momentum Injection into Co-flow and Counter-flow Freestream

Anthony Tang, Nathan Li+4 more|arXiv (Cornell University)|Mar 31, 2023

Plasma and Flow Control in Aerodynamics被引用数 4

ひとこと要約

本研究は、Re = 35,000および75,000の条件下で、共流および逆流の外部流れに対する誘電体バリア放電（DBD）プラズマアクチュエータの運動量注入を、実験的および数値的に調査した。逆流条件下では、静止状態と比較して運動量注入が6倍に増大し、流れの剥離と境界層の薄型化が観察された。これは、EHD、慣性、粘性、クーロン力の複雑な結合が、単純な重ね合わせをはるかに超えるものであることを示している。

ABSTRACT

Dielectric barrier discharge (DBD) plasma actuators can generate a wall jet without moving parts by interacting with ionized and neutral molecules in an electric field. The coupling between electrohydrodynamic (EHD), turbulence, inertial and viscous effects in the flow boundary layer remains poorly understood and requires investigation. We present an experimental investigation of momentum injection by DBD actuators into the free stream flow with Re = 35,000 and 75,000 in co-flow and counter-flow scenarios over a range of VAC = 12 kV - 19.5 kV peak-to-peak at a frequency of 2 kHz. In the co-flow configuration, the DBD actuator injects momentum into the boundary layer. In co-flow, the momentum injection results in the thinning boundary layer, while in the counter-flow configuration, flow separation can occur. For the tested condition, a separation bubble is observed at Re = 35,000. The momentum displacement in the counter-flow configuration is six times greater than the EHD jet momentum in a quiescent environment. Both co-flow and counter-flow momentum injections show diminishing effects with increasing external velocities. This work highlights that the resulting flow pattern is not a simple superposition of the EHD jet and the free stream but is determined by the coupling of inertial, viscous, and Coulombic effects in the EHD-driven wall jet and the external flow. The velocity profiles and momentum measurements presented here can be used to validate numerical models and inform the design of DBD actuators for active flow control.

研究の動機と目的

• 外部流れと相互作用するDBD駆動壁ジェットにおける電気流体力学的（EHD）、乱流、粘性、慣性的効果の結合を理解すること。
• 電界強度（12–19.5 kVpp）とレイノルズ数（35,000–75,000）を変化させた条件下での共流および逆流の外部流れへの運動量注入を定量すること。
• 逆流配置における剥離バブルの形成および境界層の変化を調査すること。
• 測定された速度プロファイルおよび運動量データを用いて、アクティブな流れ制御応用のための数値モデルを検証すること。
• 外部流れにおける運動量注入が、EHDジェットと自由流れの単純な重ね合わせに従うのか、それとも複雑な非線形相互作用によって支配されるのかを特定すること。

提案手法

• 風洞構成下で2 kHz周波数、12 kVから19.5 kVのピーク・ツー・ピーク電圧で動作するDBDアクチュエータを用いた実験的設定。
• 共流および逆流配置における詳細な速度プロファイルを測定するために粒子画像ビジロメトリー（PIV）の使用。
• 外部自由流れと結合されたEHD駆動壁ジェットの数値モデル化により、運動量移動および境界層ダイナミクスのシミュレーション。
• 制御された外部流れ速度を用いたレイノルズ数の変更により、運動量注入の外部流れ速度依存性を評価。
• 逆流における運動量移動を、静止状態におけるEHDジェット運動量と比較し、増幅度を定量。
• 速度勾配および流れの逆転基準を用いた境界層厚さおよび剥離バブル形成の分析。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 Re = 35,000および75,000の条件下で、共流と逆流の外部流れにおけるDBDアクチュエータの運動量注入はどのように変化するか？
• RQ2 逆流における運動量移動は、静止状態におけるEHDジェットと比較してどの程度増幅されているか？
• RQ3 EHD壁ジェットが外部流れと相互作用する際、慣性力、粘性力、クーロン力が結果としての流れ場に果たす役割は何か？
• RQ4 観察された流れの挙動は、EHDジェットと自由流れの単純な重ね合わせに従うものなのか、それとも複雑な非線形結合によって支配されるのか？
• RQ5 外部自由流れ速度の増加は、共流および逆流モードにおける運動量注入の効果にどのように影響するか？

主な発見

• 共流配置では、DBDアクチュエータが流れに効果的な運動量注入をもたらし、境界層の薄型化が生じた。
• 逆流では流れの剥離が発生し、試験条件下でRe = 35,000で安定した剥離バブルが観察された。
• 逆流における運動量移動は、静止状態におけるEHDジェット運動量の6倍にのぼり、運動量移動の顕著な増幅を示している。
• 共流および逆流の両方において、外部自由流れ速度の増加に伴い運動量注入効果が低下し、高速度域でのアクチュエータ効果が低下することが示された。
• 得られた流れのパターンは、EHDジェットと外部流れの単純な重ね合わせではなく、慣性力、粘性力、クーロン力の複雑な結合に起因する。
• 測定された速度プロファイルおよび運動量データは、EHD駆動流れ制御システムの数値モデルの検証に不可欠なベンチマークを提供する。