 | Wilke J.B. Aerodynamische Strömungssteuerung mittels dielektrischer Barriereentladungs-Plasmaaktuatoren / Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt, Institut für Aerodynamik und Strömungstechnik, Göttingen. - Köln: DLR, Bibliotheks- und Informationswesen, 2009. - 237 S.: Ill., graph. Darst. - (Forschungsbericht; 09-19). - ISSN 1434-8454
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Nomenklatur .................................................. xiii
1 Einführung ................................................... 1
2 Grundlagen der dielektrischen Barriereentladungs-
PIasmaaktuatoren ............................................. 5
2.1 Standard-Plasmaaktuator ................................. 5
2.2 Allgemeine plasmaphysikalische Grundlagen ............... 8
2.2.1 Klassifizierung von Plasmen ...................... 8
2.2.2 Erzeugung von Plasmen ........................... 10
2.2.3 Mechanismen des Energieeintrags ................. 12
2.2.4 Gasentladungen .................................. 19
2.2.5 Barriereentladungen ............................. 27
2.3 Physikalische Plasmaaktuatormodelle .................... 32
2.3.1 Physikalische Modelle ........................... 32
2.3.2 Phänomenologische Modelle ....................... 34
3 Strömungsgeschwindigkeitsmessung an Plasmaaktuatoren ........ 35
3.1 Pitotsonden-Messmethode ................................ 35
3.2 Laser-Doppler-Anemometrie .............................. 36
3.3 Particle Image Velocimetry ............................. 37
3.4 Mögliche Fehlerquellen bei der Anwendung von
partikelbasierten Strömungsmessmethoden an
Plasmaaktuatoren ....................................... 39
4 Messung instationärer Impulsinduktionsvorgänge eines
Standardaktuators ........................................... 41
4.1 Bisherige experimentelle Erkenntnisse .................. 42
4.1.1 Elektrische Eigenschaften eines
Standardaktuators ............................... 42
4.1.2 Lichtemission eines Standardaktuators ........... 43
4.1.3 Punktuelle Messungen der
Strömungsgeschwindigkeit ........................ 46
4.2 Messung der durch einen Standardaktuator induzierten
instationären Geschwindigkeitsfelder ................... 51
4.2.1 Experimenteller Aufbau und Durchführung ......... 51
4.2.2 Ergebnisse und Diskussion ....................... 53
4.3 Überprüfung der Geschwindigkeitsmessungen am
Plasmaaktuator ......................................... 59
4.3.1 Anforderungen an das Messverfahren .............. 59
4.3.2 Experimentalaufbau .............................. 61
4.3.3 Durchführung .................................... 62
4.3.4 Bestimmung des Drucksignals in Abhängigkeit
von der Anregungsspannungsphase ................. 63
4.3.5 Ergebnisse und Diskussion ....................... 66
4.4 Bestimmung der räumlich-zeitlichen Verteilung
der durch einen Standardaktuator induzierten
Volumenkräfte .......................................... 70
4.4.1 Annahmen zur Berechnung der Volumenkräfte ....... 70
4.4.2 Berechnung der Volumenkraftverteilungen ......... 72
4.4.3 Ergebnisse und Diskussion ....................... 73
4.5 Folgerungen aus den Messungen instationärer
Impulsvorgänge eines Standardaktuators ................. 75
5 Optimierung unterschiedlicher Plasmaaktuatortypen ........... 81
5.1 Grundlagen der durchgeführten Parameterstudien ......... 81
5.1.1 übersicht der untersuchten
Plasmaaktuatortypen ............................. 81
5.1.2 Quantifizierung der Aktuatoreffektivität
und -effizienz .................................. 82
5.1.3 Durchgeführte
Strömungsgeschwindigkeitsmessungen .............. 84
5.2 Parameterstudien am Typ A - Standard-
Aktuatorkonfiguration .................................. 84
5.2.1 Elektrodenabstandsvariation ..................... 85
5.2.2 Sinusspannungsfrequenzvariation ................. 86
5.2.3 Sinusspannungsvariation ......................... 90
5.2.4 Elektrodengeometrievariation .................... 92
5.2.5 Spannungssignalvariation ........................ 95
5.2.6 Externe Ionisierung ............................ 101
5.3 Parameterstudien am Typ B -
Doppelaktuatorkonfiguration ........................... 104
5.3.1 Phasenverschiebungsvariation ................... 105
5.4 Parameterstudien am Typ C -
Konstantpotentialkonfiguration ........................ 108
5.4.1 Konstantpotentialvariation ..................... 109
5.4.2 Abstandsvariation der
Konstantpotentialelektrode ..................... 112
5.5 Parameterstudien am Typ D - Nano-Konfiguration ........ 113
5.5.1 Pulszeitraumvariation .......................... 115
5.6 Schlussfolgerungen aus den Parameterstudien ........... 119
6 Numerische Simulation des aerodynamischen Effekts von
Plasmaaktuatoren ........................................... 125
6.1 Einführung ............................................ 126
6.2 Vorstellung vorhandener phänomenologischer
Modelle ............................................... 126
6.2.1 Modell nach Shyy et al ......................... 126
6.2.2 Modell nach Grundmann und Klumpp ............... 128
6.3 Vorstellung eines neuen fluidmechanischen
Verfahrens ............................................ 128
6.3.1 Annahmen zur Bestimmung der zeitlich
invarianten Volumenkraftverteilungen ........... 129
6.3.2 Berechnung der zeitlich invarianten
Volumenkraftverteilungen ....................... 130
6.4 Einsatz und Validierung des neuen fluidmechanischen
Verfahrens ............................................ 130
6.4.1 Aufbau und Durchführung der Validierung ........ 131
6.4.2 Virtuelle Volumenkraftverteilung des
fluidmechanischen Verfahrens ................... 133
6.4.3 Vergleich zwischen experimentellen und
numerischen Ergebnissen ........................ 134
6.5 Schlussfolgerung ...................................... 138
7 Anwendung von Plasmaaktuatoren in der Aerodynamik .......... 141
7.1 Zirkulationssteuerung am Hubschrauberprofil durch
Plasmaaktuatoren nach dem Gurney-Klappen-
Wirkprinzip ........................................... 141
7.1.1 Hintergrund .................................... 142
7.1.2 Experimenteller Aufbau ......................... 143
7.1.3 Durchführung des Experiments und der
Simulation ..................................... 148
7.1.4 Experimentelle und numerische Ergebnisse ....... 149
7.1.5 Deutung der PIV-Ergebnisse ..................... 153
7.1.6 Zusammenfassung ................................ 157
7.2 Strömungssteuerung am Deltaflügel durch
Plasmaaktuatoren im Bereich bis Re=106 ................ 158
7.2.1 Einleitung ..................................... 158
7.2.2 Modell und Versuchsanordnung ................... 159
7.2.3 Durchführung des
Deltaflügelexperiments ......................... 163
7.2.4 Auswertung und Ergebnisse des
Deltaflügelexperiments ......................... 164
7.2.5 Deutung der experimentellen Ergebnisse ......... 176
7.2.6 Zusammenfassung ................................ 182
8 Zusammenfassung und Ausblick ............................... 185
Tabellenverzeichnis ........................................... 189
Abbildungs Verzeichnis ........................................ 193
Literaturverzeichnis .......................................... 205
A Betrachtung der Partikelträgheit und der
Partikelaufladung im elektrischen Wechselfeld .............. 215
A.l Partikelträgheit ...................................... 215
A.1.1 Eigenschaften der Seeding-Partikel ............. 216
A.1.2 Quantifizierung des Partikelfolgeverhaltens .... 216
A.2 Partikelaufladung im elektrischen Feld ................ 217
A.2.1 Herleitung der Bewegungsgleichung der
Seeding-Partikel ............................... 218
A.3 Bewertung der Messfehler aufgrund von
Partikelaufladung ..................................... 229
A.4 Schlussfolgerung ...................................... 230
B Daten der Mikrofonmessung .................................. 231
C Messdatenerfassung ......................................... 237
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