Nghiên cứu số về kiểm soát dòng chảy bằng cách sử dụng bộ kích plasma để cải thiện các đặc tính khí động học của một cánh cố định

Rasool Kayvanpour1, Sahar Noori1, Peiman Sepahvand1
1Department of Aerospace Engineering, Amirkabir University of Technology, Tehran, Iran

Tóm tắt

Trong nghiên cứu này, tác động của bộ kích plasma DBD lên dòng chảy qua một cánh NACA 0012 đang nghiêng được điều tra. Dòng chảy được coi là hai chiều, không nén và hỗn loạn với số Reynolds là 135.000, tương đương với dòng chảy quanh các cánh quạt tua-bin gió. Cánh được dao động vượt quá góc bão hòa tĩnh và trải qua hiện tượng bão hòa động sâu. Tác động của bộ kích plasma được thêm vào các phương trình động lượng như một lực cơ thể bằng cách sử dụng một mô hình hiện tượng học. Quan sát cho thấy rằng bộ kích plasma làm tăng lực nâng trung bình, giảm lực cản trung bình, giảm độ trễ hệ số lực nâng, và trì hoãn sự tách rời. Tác động của bộ kích plasma lên độ trễ hệ số mô-men quay và hệ số giảm chấn khí động âm cũng được điều tra. Sau đó, tác động của vị trí bộ kích trên mặt hút của cánh về hiệu suất khí động được nghiên cứu và đầu cánh được chọn là vị trí tối ưu. Ngoài ra, điện áp và tần số kích hoạt được thay đổi và tác động của chúng lên các hệ số khí động và hệ số giảm chấn âm được nghiên cứu. Hơn nữa, quan sát cho thấy rằng bộ kích với chu kỳ hoạt động 50% với mức tiêu thụ điện năng thấp gần như cho kết quả tương tự so với kích hoạt liên tục. Cuối cùng, tác động của dao động dòng chảy tự do lên các hệ số khí động và hiệu suất bộ kích plasma được thảo luận. Quan sát cho thấy rằng trong trường hợp dòng chảy dao động, bộ kích plasma gây ra sự gia tăng hệ số lực nâng tối đa và một sự trì hoãn nhỏ trong hiện tượng bão hòa động trong khi làm tăng hệ số lực cản trung bình và diện tích độ trễ của hệ số lực nâng. Để kiểm tra độ chính xác của kết quả, các hệ số khí động của cánh dao động không có kiểm soát dòng chảy được xác thực với dữ liệu số và thực nghiệm.

Từ khóa

#bộ kích plasma DBD #cánh NACA 0012 #kiểm soát dòng chảy #hiệu suất khí động #số Reynolds #hiện tượng bão hòa động

Tài liệu tham khảo

Gad-El-Hak M (2000) Flow control passive, active, and reactive flow management. Cambridge University Press Kosinov AD, Maslov AA, Shevelkov SG (1990) Experiments on the stability of supersonic laminar boundary layers. J Fluid Mech 219(3):621–633 Cavalieri D (1995) “On the experimental design for instability analysis on a cone at Mach 3.5 and 0.6 using a corona discharge perturbation method. Illinois Institute of Technology Corke TC, Cavalieri DA, Matlis E (2002) Boundary-layer instability on sharp cone at Mach 3.5 with controlled input. AIAA J 40(5):1015–1018 Corke TC, Post ML, Orlov DM (2009) “Single dielectric barrier discharge plasma enhanced aerodynamics: physics, modeling and applications”. J Exp Fluids 46 Roth JR, Sherman DM, Wilkinson SP (1998) Boundary Layer flow control with a one atmosphere uniform glow discharge surface plasma. AIAA Roth JR, Sherman DM, Wilkinson SP “Electrohydrodynamic flow control with a glow-discharge surface plasma”. AIAA 38(7) Post ML, Corke TC (2004) Separation control on high angle of attack Airfoil using plasma actuators. AIAA J 42(11):2177–2184 Post M, Corke T (2006) “Separation control using plasma actuators: dynamic stall control on an oscillating airfoil. AIAA J 44(12) Patel MP, Ng TT, Vasudevan S, Corke TC, He C (2007) Plasma actuators for hingeless aerodynamic control of an unmanned air vehicle. J Aircr 44(4):1264–1274 Rizzetta DP, Visbal MR (2007) Numerical investigation of plasma-based flow control for transitional highly-loaded low-pressure turbine. AIAA J 45(10):2554 Thomas FO, Kozlov A, Corke TC (2008) Plasma actuators for cylinder flow control and noise reduction. AIAA J 46(8):1921–1931 Kim JH, Kastner J, Samimy M (2009) Active control of a high reynolds number Mach 0.9 axisymmetric Jet. AIAA J 47(1):116–128 Samimy M et al (2004) Development and characterization of plasma actuators for high-speed jet control. Exp Fluids 37(4):577–588 Zhang PF, Liu AB, Wang JJ (2009) Aerodynamic modification of NACA 0012 airfoil by trailing-edge plasma gurney flap. AIAA J 47(10):2467–2474 Bouchmal A (2011) “Modeling of dielectric-barrier discharge actuator”. Delft Univ Technol, p 88 Rizzetta DP, Visbal MR (2009) Large eddy simulation of plasma-based control strategies for bluff body flow. AIAA J 47(3):717–729 Rizzetta DP, Visbal MR (2011) Numerical investigation of plasma-based control for low-reynolds-number airfoil flows. AIAA J 49(2):411–425 Roy S, Wang CC (2009) “Bulk flow modification with horseshoe and serpentine plasma actuators”. J Phys D Appl Phys 42(3) Patel MP, Cain AB, Nelson CC, Corke TC, Matlis EH (2012) “Shock generation and control using DBD plasma actuators” Kozato Y, Kikuchi S, Imao S, Kato Y, Okayama K (2016) Flow control of a rectangular jet by DBD plasma actuators. Int J Heat Fluid Flow 62:33–43 Mahboubidoust A, Ramiar A, Dardel M (2017) Investigation of steady plasma actuation effect on aerodynamic coefficients of oscillating airfoil at low Reynolds number. Theor Appl Mech Lett 7(4):185–198 Singhal A, Castañeda D, Webb N, Samimy M (2017) Control of dynamic stall over a NACA 0015 airfoil using plasma actuators. AIAA J 56(1):78–89 Ioannou V, Laizet S (2018) Numerical investigation of plasma-controlled turbulent jets for mixing enhancement. Int J Heat Fluid Flow 70(February):193–205 Iranshahi K, Mani M (2018) “DBD actuators employed as alternative to conventional high-lift devices”. AIAA J Aircr Tian Y, Zhang Z, Cai J, Yang L, Kang L (2018) Experimental study of an anti-icing method over an airfoil based on pulsed dielectric barrier discharge plasma. Chin J Aeronaut 31(7):1449–1460 Guoqiang L, Weiguo Z, Yubiao J, Pengyu Y (2019) Experimental investigation of dynamic stall flow control for wind turbine airfoils using a plasma actuator. Energy 185:90–101 Al-Sadawi L, Chong TP, Kim JH (2019) Aerodynamic noise reduction by plasma actuators for a flat plate with blunt trailing-edge. J Sound Vib 439:173–193 Corke TC, Enloe CL, Wilkinson SP (2009) Dielectric barrier discharge plasma actuators for flow control. Annu Rev Fluid Mech 42(1):505–529 Cattafesta LN, Sheplak M (2011) Actuators for active flow control. Annu Rev Fluid Mech 43(1):247–272 Thomas FO, Corke TC, Iqbal M, Kozlov A, Schatzman D (2009) “Optimization of dielectric barrier discharge plasma actuators for active aerodynamic flow control” AIAA 47 Shyy W, Jayaraman B, Andersson A (2002) “Modeling of glow discharge-induced fluid dynamics”. J Appl Phys 92 Castillo JE (1991) Mathematical aspects of numerical grid generation. Soc Ind Appl Math Program Development Company USA, “Gridpro User’s Guide”, Edition 8.2, August, 2018 Leishman JG (2006) Principles of helicopter aerodynamics. Cambridge University Press Lee T, Gerontakos P (2004) Investigation of flow over an oscillating airfoil. J Fluid Mech 512:313–341 Wang S, Ingham DB, Ma L, Pourkashanian M, Tao Z (2010) “Numerical investigations on dynamic stall of low Reynolds number flow around oscillating airfoils” Comput Fluids 39 Gharali K, Johnson DA (2013) Dynamic stall simulation of a pitching airfoil under unsteady freestream velocity. J Fluids Struct 42:228–244 McAlister KW, Carr LW, McCroskey WJ (1978) “Dynamic stall experiments on the NACA 0012 Airfoil” Masdari M, Seyednia M, Tabrizian A (2018) An experimental loading study of a pitching wind turbine airfoil in near- and post-stall regions. J Mech Sci Technol 32(8):3699–3706 Fontecha R, Kemper F, Feldmann M (2019) “On the determination of the aerodynamic damping of wind turbines using the forced oscillations method in wind tunnel experiments”. Energies 12(12) Gülçat Ü (2016) Fundamentals of modern unsteady aerodynamics, 2nd edn Corke TC, Thomas FO (2015) Dynamic stall in pitching airfoils: aerodynamic damping and compressibility effects. Annu Rev Fluid Mech 47(1):479–505 Wong JG, Mohebbian A, Kriegseis J, Rival DE (2013) Rapid flow separation for transient inflow conditions versus accelerating bodies: an investigation into their equivalency. J Fluids Struct 40:257–268 Ibrahim IH, Skote M (2014) Simulating plasma actuators in a channel flow configuration by utilizing the modified Suzen-Huang model. Comput Fluids 99:144–155