Dielectric barrier discharge (DBD) plasma actuator driven by alternating current (AC) can be one of the solutions for low Reynolds number flow control of which importance becomes significant in recent years. Compared with other types of flow control methods, the most important advantage of DBD is that it does not require additional pump, pipes or holes which need significant structural modifications of aeronautical systems. On the other hands, unpredictable characteristics and low control authority of the DBD actuator due to low speed of inducing jet limit the practical applications of it.
This thesis developed a semi-empirical thrust model for the AC DBD plasma actuators, which takes into
consideration various design and operation parameters including the geometry and electric discharge conditions of the plasma actuator. It provides numeric thrust value in the specified condition using a few equations, and validation of the model was performed through comparative study of the predicted thrust value and measurement results. The model is embedded in the numerical Navier-Stokes’ equation solver to calculate two dimensional wall-jet and the change of three dimensional flow field due to the counter directed vortex generator (VG); these numerical results were also verified by a comparison of the experiment and predicted flow change. The present model has significant advantage in the plasma actuator application analysis while the other models require a lot of calculation effort even with a single AC DBD plasma actuator.
A proof-of-concept experimental model was designed and manufactured in order to demonstrate the drag reduction of a bluff body using the plasma driven VG. The developed semi-empirical model requiring less calculation effort was effectively used to investigate the drag reduction effect of the plasma VG according to the various design and operation parameters. The drag change due to the variation of the plasma VG parameter was evaluated in the numerical method; a few selected cases from the parameter study were experimentally evaluated in the wind-tunnel experiment so that the numerical results were validated. Both the numerical and experiment methods showed that about 10 % drag reduction of the bluff body was achieved by the plasma VG. Dimensionless numbers representing design and operation parameters of the VG were proposed to describe the overall tendency of the parameter study results; the drag reduction performance of the VG is proportional to the dimensionless number
유전체 장벽방전을 이용한 플라즈마 구동기는 펌프나 유동 이동용 파이프 없이도 벽면 유동을 발생시킬 수 있어 기존의 유동제어 장치가 설치되기 어려운 곳에도 상대적으로 간단하게 장착할 수 있다는 장점이 있다. 이 덕분에 최근 몇 년간 저 레이놀즈 수 영역에서 유용한 유동제어 장치로 연구되었으나 낮은 유동속도와 성능 예측이 어렵다는 단점으로 인하여, 실제 활용을 위한 연구에 있어서는 어려움을 겪고 있다.
본 연구에서는 플라즈마 구동기의 반실험적 추력 모델을 위해 추력기의 설계요소, 운용조건이 고려된 추력 식을 구성하였으며, 이를 본인이 측정한 결과와 기존의 실험결과 등과 비교해 검증하였다. 또한 이를 전산유체 해석과 결합하여 플라즈마 구동기에 의한 2차원 벽면 유동으로 나타내고 이를 실험결과와 비교, 검증하였다. 3차원 형태에 대해서는 플라즈마 구동기에 의한 와류 생성기를 구성하였고 반실험적 모델에 의한 와류 생성 결과와 실험 간의 결과를 비교하였다. 구성된 모델을 통해 복잡한 이온-전기장-유체 해석 없이도 플라즈마 구동기에 의한
유동변화를 나타낼 수 있게 되었고, 플라즈마 구동기와 적용된 시스템이 결합된 복잡한 상황에서의 유동변화를 상대적으로 쉽게 계산할 수 있게 하였다. 와류 발생기의 형태로 플라즈마 구동기를 구성하여, 앞서 언급한 모델을 활용해 플라즈마 와류 발생기의 구동 및 운용 조건의 변화에 대한 해석을 쉽게 수행하였다. 플라즈마 와류
발생기의 활용 가능성을 비유선형 물체에 발생하는 후류 박리에 의한 저항 감소를 통해 확인하였으며, 다양한 구동 및 운용 조건 관련 매개변수를 연구하였다. 매개변수에 의한 비유선형 물체의 공기저항 변화는 전산유체 해석과 풍동 실험을 통해 수행되었고, 최대 10%의 저항감소 효과와 두 방법간의 일치를 확인하였다. 또한 유동 가시화 실험을 통해 와류 발생기에서 발생하는 와류와 박리 억제를 확인할 수 있었다. 매개변수 변화에 따른 해석 및
실험 결과는 무차원 해석을 통해 플라즈마 와류 발생기의 성능에 민감한 요소의 변화에 따른 경향을 확인하였다.
