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Boundary-Layer Stabilization with Dielectric Barrier Discharge Plasmas for Free-Flight Application

Duchmann, Alexander (2012)
Boundary-Layer Stabilization with Dielectric Barrier Discharge Plasmas for Free-Flight Application.
Technische Universität Darmstadt
Dissertation, Erstveröffentlichung

Kurzbeschreibung (Abstract)

The present work combines experimental and numerical efforts to enhance the maturity of dielectric barrier discharge (DBD) plasma actuators as flow-control devices. In an attempt to increase the effectiveness of controlling laminar-turbulent transition, the understanding of a stabilizing effect of the actuator force field on laminar boundary-layer flow is fostered. Parametrical studies extend the Reynolds number range for effective transition control beyond the limits of earlier investigations. A numerical tool kit, consisting of a boundary-layer solver with implemented DBD force model and coupled stability analysis, is developed to predict the flow-control effectiveness. Validation experiments show considerable transition delay in a wind-tunnel setting. The excellent agreement of the experimental data with the numerical predictions renders the latter valuable for the design of flow-control applications. In order to realize an application of plasma actuators under non-laboratory conditions, a transition control experiment is designed for in-flight application on a full-sized motorized glider. The performed proof-of-concept experiment at a Reynolds number of 3000000 is the first to show a successful use of DBD transition control under atmospheric flight conditions. The discussion of the significantly delayed transition and resulting drag reduction concludes with an estimate for the flow-control efficiency.

Typ des Eintrags: Dissertation
Erschienen: 2012
Autor(en): Duchmann, Alexander
Art des Eintrags: Erstveröffentlichung
Titel: Boundary-Layer Stabilization with Dielectric Barrier Discharge Plasmas for Free-Flight Application
Sprache: Englisch
Referenten: Tropea, Prof. Cameron ; Dan, Prof. Henningson
Publikationsjahr: 17 Dezember 2012
Ort: Darmstadt
Datum der mündlichen Prüfung: 17 Dezember 2012
URL / URN: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/3351
Kurzbeschreibung (Abstract):

The present work combines experimental and numerical efforts to enhance the maturity of dielectric barrier discharge (DBD) plasma actuators as flow-control devices. In an attempt to increase the effectiveness of controlling laminar-turbulent transition, the understanding of a stabilizing effect of the actuator force field on laminar boundary-layer flow is fostered. Parametrical studies extend the Reynolds number range for effective transition control beyond the limits of earlier investigations. A numerical tool kit, consisting of a boundary-layer solver with implemented DBD force model and coupled stability analysis, is developed to predict the flow-control effectiveness. Validation experiments show considerable transition delay in a wind-tunnel setting. The excellent agreement of the experimental data with the numerical predictions renders the latter valuable for the design of flow-control applications. In order to realize an application of plasma actuators under non-laboratory conditions, a transition control experiment is designed for in-flight application on a full-sized motorized glider. The performed proof-of-concept experiment at a Reynolds number of 3000000 is the first to show a successful use of DBD transition control under atmospheric flight conditions. The discussion of the significantly delayed transition and resulting drag reduction concludes with an estimate for the flow-control efficiency.

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Die vorliegende Arbeit kombiniert experimentelle und numerische Untersuchungen zur Strömungskontrolle mit dielektrischen Barriereentladungs-Plasma Aktuatoren. Um die Effektivität der Kontrolle des laminar-turbulenten Umschlags zu steigern wird das Verständnis für den stabilisierenden Effekt des Aktuator-Kraftfeldes auf laminare Grenzschichtströmungen verbessert. Parameterstudien erweitern den Reynoldszahlbereich, innerhalb dessen eine effektive Kontrolle der Transition möglich ist, jenseits der Grenzen vorheriger Untersuchungen. Ein numerisches Werkzeug, bestehend aus einem Grenzschicht-Löser mit integriertem Modell eines Plasma-Aktuators und gekoppelter Stabilitätsanalyse, dient zur Vorhersage der Kontrolleffektivität. Validierungsexperimente im Windkanal zeigen eine erhebliche Verzögerung der Transition. Die hervorragende Übereinstimmung der experimentellen Daten mit numerischen Vorhersagen ermöglicht die Verwendung der letztgenannten zur Auslegung von Strömungskontrollanwendungen. Um eine Anwendung von Plasma-Aktuatoren ausserhalb laboratorieller Bedingungen zu realisieren wird ein Freiflug-Experiment zur Transitionskontrolle auf einem Motorsegler gestaltet. Die Machbarkeitsstudie bei einer Reynoldszahl von 3000000 zeigt erstmals eine erfolgreiche Anwendung von Plasma-Aktuatoren zur Transitionskontrolle unter atmosphärischen Flugbedingungen. Eine abschliessende Diskussion der Transitionsverzögerung und der ermöglichten Reibungsreduktion resultiert in einer Abschätzung der Strömungskontrolleffizienz.

Deutsch
Freie Schlagworte: DBD, Plasma Actuator, Boundary Layer, Flow Control
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-33513
Sachgruppe der Dewey Dezimalklassifikatin (DDC): 600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 600 Technik
600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 620 Ingenieurwissenschaften und Maschinenbau
Fachbereich(e)/-gebiet(e): 16 Fachbereich Maschinenbau > Fachgebiet Strömungslehre und Aerodynamik (SLA)
16 Fachbereich Maschinenbau
Hinterlegungsdatum: 19 Mai 2013 19:55
Letzte Änderung: 19 Mai 2013 19:55
PPN:
Referenten: Tropea, Prof. Cameron ; Dan, Prof. Henningson
Datum der mündlichen Prüfung / Verteidigung / mdl. Prüfung: 17 Dezember 2012
Export:
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