TU Darmstadt / ULB / TUbiblio

Environmental Impacts on Dielectric Barrier Discharge Plasma Actuators

Bürkle, Sebastian :
Environmental Impacts on Dielectric Barrier Discharge Plasma Actuators.
[Online-Edition: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/3316]
TU Darmstadt , Darmstadt
[Masterarbeit], (2013)

Offizielle URL: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/3316

Kurzbeschreibung (Abstract)

Plasma actuators based on dielectric barrier discharge promise a bright future in aerodynamical applications. By creating a body force in the surrounding gas through plasma – gas interaction, plasma actuators, operated in quiescent air, induce a weak flow above their surface with a velocity of typically 5-8 m/s, the so called ionic wind. The ionic wind can influence the boundary-layer of any externally applied flow. Thus, plasma actuators are used for flow-control applications with a wide range of different flow velocities, temperatures and pressures.

In the present work, the impact of these environmental conditions on the power consumption, plasma length and resonance behavior of the plasma actuators is studied. It is shown that an increase of the temperature or decrease of the pressure favor the discharge, as they increase the plasma length and the power consumption for a constant voltage amplitude. During the experiments temperatures from ambient temperature up to 600°C were tested and the pressure ranges from ambient pressure down to p = 0.11 bar. Scaling numbers and power laws were found to describe the impact of these parameters on the power consumption and plasma length. A hypothesis that the mean free path of the ions and electrons could be the dominant impact factor on the discharge was derived. Thus, the temperature and pressure dependence on the mean free path leads to the observed effects. Also, it is shown that the impedance of the plasma actuator, which is a product of an active and passive component of the actuators capacitance, is increased by an increasing temperature or decreasing pressure. This effects lead to a decrease of the resonance frequency of the circuit. External flows with small velocities between 0 m/s and 21 m/s have no effect on the power consumption and resonance behavior of an actuator. High velocities decrease the power consumption and the impedance, as they reduce the discharge volume and relative discharge duration. These effects are shown in different experiments of a plasma actuator exposed to flow Mach numbers between 0.42 and 0.7.

The second part of this thesis focuses on the investigation of the environmental and voltage impact on filaments in the discharge that are caused by an instability in the discharge process. It is shown that increasing the pressure or flow velocity stabilizes the discharge and thus delays the onset of the formation of filaments towards higher voltages. The temperature seems to have no impact on the onset voltage. These effects are in good agreement with the predications by a theoretical model of the filaments. With the help of streak-camera images it is shown that the filaments only occur during the negative half-cycle. Increasing the voltage amplitude or temperature increases the spacing between the filaments, which typically ranges in between 2 mm and 4 mm. The same effect is achieved by decreasing the pressure. Measurements with a Pitot tube and particle image velocimetry show that the filaments increase the local velocity of the ionic wind by a factor of roughly 1.1 - 1.6. Thus, the ionic wind of a discharge with filaments looses its two-dimensional character and becomes three-dimensional. This effect may allow advanced flow-control strategies, for example active vortex generation using the discharge filaments.

Typ des Eintrags: Masterarbeit
Erschienen: 2013
Autor(en): Bürkle, Sebastian
Titel: Environmental Impacts on Dielectric Barrier Discharge Plasma Actuators
Sprache: Englisch
Kurzbeschreibung (Abstract):

Plasma actuators based on dielectric barrier discharge promise a bright future in aerodynamical applications. By creating a body force in the surrounding gas through plasma – gas interaction, plasma actuators, operated in quiescent air, induce a weak flow above their surface with a velocity of typically 5-8 m/s, the so called ionic wind. The ionic wind can influence the boundary-layer of any externally applied flow. Thus, plasma actuators are used for flow-control applications with a wide range of different flow velocities, temperatures and pressures.

In the present work, the impact of these environmental conditions on the power consumption, plasma length and resonance behavior of the plasma actuators is studied. It is shown that an increase of the temperature or decrease of the pressure favor the discharge, as they increase the plasma length and the power consumption for a constant voltage amplitude. During the experiments temperatures from ambient temperature up to 600°C were tested and the pressure ranges from ambient pressure down to p = 0.11 bar. Scaling numbers and power laws were found to describe the impact of these parameters on the power consumption and plasma length. A hypothesis that the mean free path of the ions and electrons could be the dominant impact factor on the discharge was derived. Thus, the temperature and pressure dependence on the mean free path leads to the observed effects. Also, it is shown that the impedance of the plasma actuator, which is a product of an active and passive component of the actuators capacitance, is increased by an increasing temperature or decreasing pressure. This effects lead to a decrease of the resonance frequency of the circuit. External flows with small velocities between 0 m/s and 21 m/s have no effect on the power consumption and resonance behavior of an actuator. High velocities decrease the power consumption and the impedance, as they reduce the discharge volume and relative discharge duration. These effects are shown in different experiments of a plasma actuator exposed to flow Mach numbers between 0.42 and 0.7.

The second part of this thesis focuses on the investigation of the environmental and voltage impact on filaments in the discharge that are caused by an instability in the discharge process. It is shown that increasing the pressure or flow velocity stabilizes the discharge and thus delays the onset of the formation of filaments towards higher voltages. The temperature seems to have no impact on the onset voltage. These effects are in good agreement with the predications by a theoretical model of the filaments. With the help of streak-camera images it is shown that the filaments only occur during the negative half-cycle. Increasing the voltage amplitude or temperature increases the spacing between the filaments, which typically ranges in between 2 mm and 4 mm. The same effect is achieved by decreasing the pressure. Measurements with a Pitot tube and particle image velocimetry show that the filaments increase the local velocity of the ionic wind by a factor of roughly 1.1 - 1.6. Thus, the ionic wind of a discharge with filaments looses its two-dimensional character and becomes three-dimensional. This effect may allow advanced flow-control strategies, for example active vortex generation using the discharge filaments.

Ort: Darmstadt
Freie Schlagworte: Plasma Actuators, Ionic Wind, Filaments in Discharges, Flow-Control, Performance of Actuators, Pressure Impact, Flow Impact, Temperature Impact, Active Impedance,
Fachbereich(e)/-gebiet(e): Fachbereich Maschinenbau > Strömungslehre und Aerodynamik > Drag and Circulation Control
Keine Angabe
Zentrale Einrichtungen
Fachbereich Maschinenbau > Strömungslehre und Aerodynamik
Fachbereich Maschinenbau
Hinterlegungsdatum: 02 Jun 2013 19:55
Offizielle URL: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/3316
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-33160
Gutachter / Prüfer: Tropea, Prof. Cameron ; Barckmann, Dipl.-Ing. Katrin
Datum der Begutachtung bzw. der mündlichen Prüfung / Verteidigung / mdl. Prüfung: 31 Januar 2013
Alternatives oder übersetztes Abstract:
AbstractSprache
Plasma-Aktuatoren mit dielektrischer Barriereentladung verheißen eine viel versprechende Zukunft in der Aerodynamik. Durch die Erzeugung einer Volumenkraft im Gas aufgrund der Plasma-Gas-Wechselwirkung können sie in ruhender Luft eine langsame Strömung von 5-8 m/s nahe ihrer Oberfläche erzeugen, den sogenannten ionischen Wind. Dieser ionische Wind kann die Grenzschicht einer beliebigen angrenzenden Strömung beeinflussen. Aus diesem Grund werden Plasma-Aktuatoren zur Strömungskontrolle auf die Eignung von Anwendungen mit unterschiedlichstem Druck, Temperatur oder Strömungsgeschwindigkeit untersucht. In dieser Arbeit wurde der Einfluss dieser Umgebungsbedingungen auf den Leistungsverbrauch, die Plasmalänge und das Resonanzverhalten von Plasma-Aktuatoren untersucht. Es wird gezeigt, dass eine Erhöhung der Temperatur oder Absenkung des Drucks die Entladung verstärkt, da die Plasmalänge und der Leistungsverbrauch bei konstanter Spannung gesteigert werden. In den Experimenten dazu wird die Temperatur zwischen Umgebungstemperatur und 600°C variiert und der Druck zwischen 0.11 bar und atmosphärischem Druck. Es zeigt sich, dass sich der Umgebungseinfluss unter diesen Bedingungen gut durch Exponentialgesetze und Skalierungskenngrößen beschreiben lässt. Daraus entstand die Hypothese, dass die mittlere freie Weglänge der Ionen und Elektronen der effektive Einflussparameter sein könnte, sodass die Temperatur- und Druckabhängigkeit der mittleren freien Weglänge zu den beobachteten Effekten führt. Zusätzlich wird gezeigt, dass die Impedanz des Plasma-Aktuators durch eine Erhöhung der Temperatur oder eine Verringerung des Drucks gesteigert wird. Die wachsende Impedanz führt zu einer Verringerung der Resonanzfrequenz des Gesamtsystems. Eine externe Strömung mit einer Geschwindigkeit zwischen 0 m/s und 21 m/s scheint keinen Einfluss auf Resonanzverhalten und Leistungsverbrauch des Aktuators zu haben. Hohe Strömungsgeschwindigkeiten hingegen verringern den Leistungsverbrauch und die Impedanz, da sie das Entladungsvolumen und die Dauer der Entladungen pro Zyklus reduzieren. Diese Effekte werden mit Hilfe verschiedener Experimente, bei denen ein Plasma-Aktuator einer Strömung mit Machzahlen zwischen 0.42 und 0.7 ausgesetzt wird, gezeigt. Der zweite Teil dieser Arbeit wittmet sich dem Einfluss der Umgebungsbedingungen und Spannungsparameter auf Filamente in der Entladung, die durch eine Instabilität im Entladungszyklus entstehen. Es wird gezeigt, dass eine Erhöhung der Temperatur oder der Strömungsgeschwindigkeit einen stabilisierenden Einfluss haben und daher die Entstehung der Filamente zu höheren Spannungsamplituden verschieben. Die Temperatur scheint in erster Näherung keinen Einfluss auf auf Entstehungsspannung zu haben. Diese Effekte sind in guter Übereinstimmung mit den Vorhersagen aus vorab entwickelten theoretischen Modellen. Mit Hilfe von Streak-Kamera Aufnahmen wird gezeigt, dass die Filamente nur in der Entladung des negativen Halbzyklus entstehen. Eine Erhöhung der Temperatur oder der Spannung sorgt dafür, dass sich der Abstand der Filament im Bereich zwischen 2 mm und 4 mm erhöht. Ein verringerter Druckes hat den gleichen Effekt. Geschwindigkeitsmessungen mit einem Pitotrohrs und Particle Image Velocimetry zeigen, dass die Filamente die Geschwindigkeit des ionischen Windes lokal um den Faktor 1,1-1,6 erhöhen können. Daher ist der verliert der ionische Wind der Entladung mit Filamenten sein zweidimensionales Verhalten und erzeugt ein dreidimensionales Strömungsfeld. Dieser Effekt ermöglicht möglicherweise Konzepte zur fortgeschritten Strömungskontrolle, wie zum Beispiel aktive Wirbelerzeugung durch die Verwendung der Filamente.Deutsch
Export:

Optionen (nur für Redakteure)

Eintrag anzeigen Eintrag anzeigen