Dielectric-barrier discharge plasma actuators for turbulent friction-drag manipulation via spanwise oscillations

Ein Plasmaaktuator wird über instationäre Betriebsmodi angesteuert, um wandnahe
Fluidoszillationen zu erzeugen. Das Ziel ist es, spannweitig oszillierende
Wände zugunsten einer Verringerung des turbulenten Reibungswiderstands
nachzuahmen. Da der Aktuator keine beweglichen Teile besitzt, könnte er
sich als nicht-mechanischer Ersatz der oszillierenden Wand eignen. Die
Kombination von Betriebsmodus und zugrundeliegender Elektrodenanordnung
ist eine Neuerung, welche die spannweitige Homogenität der Strömung
solcher virtuellen Wandoszillationen verbessert. Die mechanische Charakterisierung
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wird mittels eines planaren Feldmessverfahrens durchgeführt, um
sowohl die induzierten Strömungstopologien als auch die Effekte von Volumenkraft
und „virtueller Wandgeschwindigkeit“, d.h. Reaktion des Fluids,
aufzuzeigen. Daraus wird zur Bewertung und Optimierung der Leistungsfähigkeit
des Aktuators ein universelles Diagramm hinsichtlich aktuatorspezifischer
Parameter abgeleitet. Da die berechnete Volumenkraft die Art der
Kraftausübung gut widerspiegelt, kann diese modellhaft zu verbesserten numerischen
Simulationen der Aktuatorik dienen. Ferner wird eine neue Vorgehensweise
für die Bestimmung der elektrischen Leistung von Aktuatoren mit
mehreren Hochspannungselektroden bereitgestellt, welche die potenzielle Abschätzung
des Nettogewinns in aktiven Kontrollszenarien ermöglicht. Zuletzt
wird die unmittelbare Auswirkung der oszillatorischen Kraftausübung auf den
Reibungswiderstand in der Querebene einer voll entwickelten turbulenten
Kanalströmung mittels einer stereoskopischen Feldmesstechnik untersucht.
Im Wesentlichen verbleibt die Strömung im sich entwickelnden Stadium und
erfährt auf dem Aktuator eine Erhöhung des Reibungswiderstands, während
sich dieser stromab des Aktuators verringert.

A dielectric-barrier discharge plasma actuator is operated via unsteady actuation
modes to impose near-wall fluid oscillations, aimed at mimicking spanwise
oscillating walls in favour of reducing turbulent friction drag. The actuator
possesses the added benefit of no moving parts and is, thus, anticipated
to work as non-mechanical surrogate of an oscillating wall. Various combinations
of actuation mode and underlying electrode arrangement, as a novelty,
enhance spanwise flow homogeneity of such virtual wall oscillations. An
in-depth mechanical characterisation is performed by planar high-speed particle
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image velocimetry to unveil both induced flow topologies and dismantled
effects of body force and ‘virtual wall velocity’, i.e. fluid response. Correspondingly,
a universal performance diagram to assess and optimize actuator
performance on the grounds of various actuator-specific parameters is derived.
The estimated integral body force well reflects the underlying forcing nature
and is, thus, hypothesized to serve as actuation model for enhanced numerical
simulations. Furthermore, a new framework for determination of power consumption
of multi high-voltage electrode actuators is delivered, most importantly
yielding an essential performance measure, which potentially enables
net-gain estimations. In the final part of this work, stereoscopic particle image
velocimetry is deployed in the cross plane of a fully-developed turbulent
channel flow. The immediate effect of oscillatory forcing on friction drag is
studied by means of velocity profiles, Reynolds stresses and other diagnostic
tools, such as forcing-related phase-wise flow-field decomposition and quadrant
analysis. As a major outcome, the flow remains in a developing stage and
undergoes an increase of friction drag on the actuator, whereas in locations
downstream of the forcing, flow friction drag experiences a decrease.