[논문 리뷰] Dielectric Barrier Discharge Actuators: Experimental and Numerical Study of Momentum Injection into Co-flow and Counter-flow Freestream

Anthony Tang, Nathan Li외 4명|arXiv (Cornell University)|2023. 03. 31.

Plasma and Flow Control in Aerodynamics인용 수 4

한 줄 요약

이 연구는 Re = 35,000 및 75,000 조건에서 공류 및 반류 흐름에 대한 유전체 방벽放 discharge (DBD) 플라즈마 액추에이터를 실험적으로 및 수치적으로 연구한다. 반류 조건에서는 정지 상태에 비해 운동량 주입이 6배 증가하는 것으로 나타났으며, 유동 분리 및 경계층 감소 현상이 관찰되어 EHD, 관성력, 점성력 및 쿠론력 간의 복잡한 상호작용이 단순 중첩을 초월함을 시사한다.

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.

연구 동기 및 목표

• DBD 구동 벽류가 외부 흐름과 상호작용할 때 전기수력학적(EHD), 난류, 점성 및 관성력 간의 상호작용을 이해하기 위해.
• 전기장 강도(12–19.5 kVpp) 및 레이놀즈 수(35,000–75,000) 변화에 따라 공류 및 반류 흐름에 대한 운동량 주입을 정량화하기 위해.
• 반류 구성에서 분리 버블 형성 및 경계층 수정을 조사하기 위해.
• 활성 유량 제어 응용을 위한 수치 모델을 검증하기 위해 측정된 속도 프로파일 및 운동량 데이터를 사용하기 위해.
• 외부 흐름에서의 운동량 주입이 EHD 제트와 자유류의 단순 중첩인지, 아니면 복잡한 비선형 상호작용에 의해 지배되는지 규명하기 위해.

제안 방법

• 풍동 구성에서 2 kHz 주파수 및 12 kV에서 19.5 kV까지의 피크-피크 전압을 가진 DBD 액추에이터를 사용한 실험 설정.
• 공류 및 반류 배열에서 세부 속도 프로파일을 측정하기 위해 입자 영상 속도측정(PIV) 기법을 사용.
• 외부 자유류 흐름과 결합된 EHD 구동 벽류의 수치 모델링을 통해 운동량 이행 및 경계층 역학을 시뮬레이션.
• 제어된 자유류 속도를 통해 레이놀즈 수를 변화시켜 외부 흐름 속도에 따른 운동량 주입 의존성 평가.
• 반류에서의 운동량 이동량을 정지 상태에서의 EHD 제트 운동량과 비교하여 향상 정도 정량화.
• 속도 기울기 및 유선 방향 흐름 역전 기준을 사용한 경계층 두께 및 분리 버블 형성 분석.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 Re = 35,000 및 75,000 조건에서 공류 대비 반류 흐름 구성에서 DBD 액추에이터의 운동량 주입 방식은 어떻게 달라지나?
• RQ2 반류 조건에서의 운동량 이행은 정지 상태에서의 EHD 제트 운동량에 비해 어느 정도 향상되었는가?
• RQ3 EHD 벽류가 외부 흐름과 상호작용할 때 관성력, 점성력 및 쿠론력이 유동장 형성에 미치는 역할은 무엇인가?
• RQ4 관찰된 유동 거동는 EHD 제트와 자유류의 단순 중첩인가, 아니면 복잡한 비선형 결합에 의해 지배되는가?
• RQ5 외부 자유류 속도를 증가시킬 경우 공류 및 반류 모드에서의 운동량 주입 효과는 어떻게 변화하는가?

주요 결과

• 공류 구성에서는 DBD 액추에이터가 흐름에 효과적인 운동량 주입을 통해 경계층 감소를 유도한다.
• 반류에서는 유동 분리가 발생하며, 시험 조건 하에서 Re = 35,000에서 안정된 분리 버블이 관찰되었다.
• 반류에서의 운동량 이동량은 정지 상태에서의 EHD 제트 운동량보다 6배 더 크며, 이는 운동량 이행의 심각한 증폭을 시사한다.
• 공류 및 반류 모두에서 외부 자유류 속도가 증가함에 따라 운동량 주입 효과가 감소함을 보여, 높은 유속에서 액추에이터의 효과가 떨어짐을 나타낸다.
• 관측된 유동 패턴은 EHD 제트와 외부 흐름의 단순 중첩이 아니며, 관성력, 점성력 및 쿠론력 간의 복잡한 결합에 의해 결정된다.
• 측정된 속도 프로파일 및 운동량 데이터는 EHD 구동 유량 제어 시스템의 수치 모델에 대한 핵심 검증 기준을 제공한다.