[논문 리뷰] 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)|2024. 03. 11.

Plasma Applications and Diagnostics인용 수 6

한 줄 요약

이 연구는 COMSOL Multiphysics를 사용하여 이중 차원 공기 플라즈마 액추에이터에서 기체 압력과 유전체 재료가 체력력에 미치는 영향을 수치적으로 조사한다. 결과적으로 흡착 전하 분포가 최적인 퀀츠와 마이카가 가장 높은 체력력을 유도하며, 760에서 560 토르로 압력 감소 시 전자 밀도 증가와 충돌 빈도 감소로 인해 체력력이 최대 22% 향상된다.

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>

연구 동기 및 목표

• 표면 유전체 장벽 방전(SDBD) 플라즈마 액추에이터에서 다양한 유전체 재료가 플라즈마 특성과 체력력에 미치는 영향을 분석하기 위해.
• 기체 압력(760, 660, 560 토르)을 변화시켜 플라즈마 특성과 해당하는 체력력 크기에 미치는 영향을 조사하기 위해.
• 향상된 항공역학적 유량 제어 성능을 위한 최적의 유전체 재료 및 압력 조건을 도출하기 위해.
• 드리프트-확산 방정식을 사용하여 대기압 조건에서 공기 이온화(N₂/O₂/Ar)의 물리 기반 수치 모델을 제공하기 위해.

제안 방법

• 공기 조성(N₂: 0.78, O₂: 0.21, Ar: 0.01)을 사용한 SDBD 플라즈마 액추에이터의 2차원 축대칭 모델을 COMSOL Multiphysics에서 개발하였다.
• 이온화, 첨착, 자극 반응를 포함한 전자 밀도 및 에너지 이동 방정식을 해결하기 위해 드리프트-확산 모델을 적용하였다.
• 전자의 연속성 및 에너지 방정식은 전자 충격 과정에 대한 타운젠드 계수와 비탄성 충돌 항목을 포함하여 해결하였다.
• 마이카, 실리카 유리, 퀀츠, PTFE 등의 유전체 재료는 각각 다른 허용도 및 표면 전하 축적 특성을 가진 채택하였다.
• 기체 압력을 760, 660, 560 토르로 변화시켜 전자 밀도, 전기장 및 체력력 생성에 미치는 영향을 평가하였다.
• 체력력은 플라즈마 영역 내 전기장과 공간 전하 밀도로부터 유도된 루멘츠력 항목으로 계산되었다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 다양한 유전체 재료(마이카, 실리카 유리, 퀀츠, PTFE)가 SDBD 플라즈마 액추에이터에서 표면 전하 분포와 체력력에 미치는 영향은 어떠한가?
• RQ2 기체 압력을 760에서 560 토르로 감소시킬 경우 플라즈마 방전에서 전자 밀도와 체력력 크기에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 일정한 입력 전압과 압력 조건에서 어떤 유전체 재료가 체력력 생성을 최대화하는가?
• RQ4 압력 변화가 공기 이온화 플라즈마에서 전자 에너지 분포와 이온화 효율성에 어떻게 영향을 미치는가?

주요 결과

• 퀀츠와 마이카 유전체가 가장 높은 체력력을 생성하였으며, 퀀츠는 PTFE 대비 최대 22% 높은 힘을 유도하였다. 이는 뛰어난 전하 축적과 전기장 강화 덕분이었다.
• 기체 압력을 760에서 560 토르로 감소시킴으로써 체력력이 약 22% 증가하였다. 이는 전자-중성 입자 간 충돌 빈도 감소와 전자 이동도 향상으로 인한 것이다.
• 560 토르에서 760 토르 대비 전자 밀도가 18% 증가하여 더 강한 이온화와 더 높은 체력력 생성에 기여하였다.
• PTFE는 낮은 허용도와 열악한 표면 전하 국소화로 인해 가장 낮은 체력력 출력을 보였으며, 전기장 강화가 제한되었다.
• 실리카 유리는 중간 수준의 성능을 보였으며, PTFE와 퀀츠 사이의 체력력 값을 보였고, 유전체 강도와 표면 전하 역학 사이의 균형을 보여주었다.
• 고허용도 유전체 표 superf(퀀츠) 근처에서 체력력 분포가 가장 균일하고 강도가 높았으며, 이는 방전 갭 내 최대 전기장 강도와 관련이 있었다.