Modelling and computational investigation of cold atmospheric pressure plasma actuators

Abstract

In the context of aerodynamics, the manipulation of airflow over airfoils, control surfaces, and other aerodynamic components is very important for optimizing performance, increasing lift, reducing drag forces, and, ultimately, ensure the safety and efficiency of aircraft. Plasma actuators induce cold non-thermal plasma using high-voltage electrical fields in targeted areas, such as separation points in aerodynamic profiles. The advantage of these devices lies in their absence of moving mechanical parts, in the rapid response times and the direct electric-to-kinetic energy conversion. The complexities inherent in the relevant physical problem require a multidisciplinary approach, including scientific topics that range from plasma kinetics to fluid mechanics and numerical modelling. A primary objective of this work is to propose an efficient three-stage computational model for Cold Atmospheric Pressure Plasma (CAPP) applications, with the ability to integrate different solution techniques. Multi-scale simulations must be smartly implemented in order to overcome the vast computational cost of solving the discharge dynamics (micro-scale) together with the gas acceleration (macro-scale). The essence of this model lies in its approach of decoupling phenomena occurring at different time scales. The three-stage algorithm is applied for the simulation of an Alternating Current Dielectric Barrier Discharge (AC-DBD) plasma actuator and the results are validated against experimental data. Another objective of this thesis is to examine the functionality of a nanosecond Dielectric Barrier Discharge (NS-DBD) plasma actuator. While the aforementioned AC-DBD actuators prove effective primarily in the low subsonic regime, the operation of the DBD actuator under the influence of nanosecond pulses allows for the manipulation of fluid flow at speeds closer to realistic flight conditions.

Στο ερευνητικό πεδίο της αεροδυναμικής, η χειραγώγηση της ροής του αέρα πάνω σε αεροτομές, επιφάνειες ελέγχου και άλλα αεροδυναμικά στοιχεία, είναι πολύ σημαντική για τη βέλτιστη απόδοση, την αύξηση της άντωσης, τη μείωση των δυνάμεων τριβής και, τελικά, για τη διασφάλιση της ασφάλειας και της αποτελεσματικότητας των αεροσκαφών. Οι ελεγκτές πλάσματος προκαλούν ψυχρό μη θερμικό πλάσμα χρησιμοποιώντας ηλεκτρικά πεδία υψηλής τάσης σε στοχευμένες περιοχές, όπως τα σημεία αποκόλλησης του οριακού στρώματος. Το πλεονέκτημα αυτών των συσκευών βασίζεται στην απουσία κινούμενων μηχανικών μερών, στους γρήγορους χρόνους απόκρισης και στην άμεση μετατροπή ηλεκτρικής σε κινητική ενέργεια. Οι πολυπλοκότητες που συνοδεύουν μια εφαρμογή τέτοια φύσης απαιτούν μια επιστημονική προσέγγιση από διάφορους κλάδους, συμπεριλαμβανομένων επιστημονικών θεμάτων που κυμαίνονται από την κινητική του πλάσματος μέχρι τη μηχανική των ρευστών και την αριθμητική ανάλυση. Ενας από τους κύριους στόχους αυτής της εργασίας είναι να προτείνει ένα αποτελεσματικό υπολογιστικό μοντέλο τριών σταδίων για εφαρμογές Ψυχρού Πλάσματος Ατμοσφαιρικής Πίεσης, με δυνατότητα ενσωμάτωσης διαφορετικών τεχνικών επίλυσης για κάθε στάδιο. Προσομοιώσεις που εκτυλίσσονται σε πολλαπλές κλίμακες χρόνου πρέπει να εφαρμοστούν με κατάλληλο τρόπο έτσι ώστε να ξεπεραστεί το τεράστιο υπολογιστικό κόστος επίλυσης της δυναμικής του πλάσματος (μικροκλίμακα) μαζί με την επιτάχυνση του αερίου (μακροκλίμακα). Η αποτελεσματικότητα αυτού του μοντέλου έγκειται στην δυνατότητά του να επιλύει τα φαινόμενα που συμβαίνουν σε διαφορετικές χρονικές στιγμές με διαφορετικές διαδικασίες επίλυσης, επιτυγχάνοντας την μεταξύ τους αποσύνδεση. Ο αλγόριθμος τριών σταδίων εφαρμόζεται για την προσομοίωση ενός ελεγκτή πλάσματος διηλεκτρικού φράγματος εναλλασσόμενου ρεύματος, ενώ τα αποτελέσματα του επικυρώνονται έναντι πειραματικών δεδομένων. Τέλος, ένας άλλος στόχος αυτής της διατριβής είναι να εξετάσει τη λειτουργεία ενός ελεγκτή πλάσματος διηλεκτρικού φράγματος, υπό την επίδραση παλμών υψηλής τάσης διάρκειας νανοδευτερολέπτων. Ενώ οι προαναφερθέντες ελεγκτές εναλλασσόμενου ρεύματος αποδεικνύονται αποτελεσματικοί κυρίως στην περιοχή χαμηλών υποηχητικών ταχυτήτων, η λειτουργία του εν λόγω ελεγκτή υπό την επίδραση παλμών νανοδευτερόλεπτου επιτρέπει τον χειρισμό της ροής ρευστού σε ταχύτητες πιο κοντά στις ρεαλιστικές συνθήκες πτήσης.