[论文解读] 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 4

一句话总结

本研究通过实验与数值模拟，探究了在雷诺数为35,000和75,000的顺流与逆流自由流中，介质阻挡放电（DBD）等离子体执行器的动量注入特性。研究发现，在逆流条件下，动量注入量是静止条件下的六倍，同时观察到流动分离与边界层变薄现象，表明电动力、惯性、粘性及库仑力之间的复杂耦合关系远超简单叠加效应。

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.

研究动机与目标

• 理解DBD驱动壁射流与外部流相互作用时，电液动力（EHD）、湍流、粘性及惯性效应之间的耦合机制。
• 量化在不同电场强度（12–19.5 kVpp）和雷诺数（35,000–75,000）下，DBD执行器在顺流与逆流自由流中的动量注入量。
• 研究逆流构型中分离泡的形成与边界层的改性行为。
• 利用测量的流速剖面与动量数据验证数值模型，以支持主动流动控制应用。
• 确定外部流中的动量注入是否为EHD射流与自由流的简单叠加，还是受复杂非线性相互作用支配。

提出的方法

• 在风洞构型中，DBD执行器以2 kHz频率运行，峰值电压范围为12 kV至19.5 kV的实验装置。
• 采用粒子成像测速（PIV）技术测量顺流与逆流构型下的详细流速剖面。
• 对EHD驱动壁射流与外部自由流耦合的数值建模，以模拟动量传递与边界层动力学。
• 通过控制自由流速度调节雷诺数，评估动量注入对外部流速的依赖性。
• 将逆流中的动量位移与静止条件下EHD射流动量进行比较，以量化增强效应。
• 基于速度梯度与流向流动逆转判据，分析边界层厚度与分离泡的形成。

实验结果

研究问题

• RQ1 在雷诺数为35,000和75,000时，DBD执行器在顺流与逆流自由流构型中的动量注入行为有何差异？
• RQ2 与静止条件下EHD射流动量相比，逆流中的动量传递增强程度如何？
• RQ3 当EHD壁射流与外部流相互作用时，惯性、粘性及库仑力在塑造流场中起何种作用？
• RQ4 所观测到的流动行为是否为EHD射流与自由流的简单叠加，还是受复杂非线性耦合支配？
• RQ5 提高外部自由流速度如何影响顺流与逆流模式下动量注入的有效性？

主要发现

• 在顺流构型中，DBD执行器通过有效注入动量导致边界层变薄。
• 在逆流中发生流动分离，在测试条件下于雷诺数35,000时观察到稳定的分离泡。
• 逆流中的动量位移是静止环境中EHD射流动量的六倍，表明动量传递显著增强。
• 顺流与逆流中的动量注入效应均随外部自由流速度增加而减弱，表明在更高流速下执行器效率降低。
• 所形成的流场并非EHD射流与外部流的简单叠加，而是由惯性、粘性与库仑力的复杂耦合所致。
• 测量的流速剖面与动量数据为EHD驱动流动控制系统的数值模型提供了关键验证基准。