Experimental characterization of oscillatory DBD plasma-actuator arrays in quiescent air and a turbulent channel flow

Diese Arbeit untersucht plasmabasierte wandnahe Fluidoszillationen, die es zum Ziel haben, Reibungsminderungseffekte
spannweitig oszillierender Wandbewegungen in turbulenten Strömungen nachzuahmen. Zu diesem Zweck wird ein lückenloses Array aus Plasma-Aktuatoren (PA) für dielektrische Barriereentladungen (DBD) verwendet. Dieses wird im so genannten Beat-Frequency-Modus (BF-Modus) betrieben, bei dem die zeitliche Oszillation der Entladungen durch die Schwebung angelegter Spannungssignale entsteht. Durch Anpassungen der zugrundeliegenden PA-Hardware konnten zuverlässige Array-Prototypen mit hoher elektrischer Widerstandsfähigkeit und symmetrischer Plasmabildung über das gesamte Array realisiert werden. ... mehrDas räumlich-zeitliche Übertragungsverhalten der Strömungsanregung, welches die zugrunde liegenden Entladungseigenschaften des Plasmas mit den resultierenden Strömungseffekten verbindet, wird experimentell in ruhender Luft charakterisiert. Trotz kleiner lokaler Unregelmäßigkeiten in den Entladungen und der induzierten Strömung bestätigen die Ergebnisse die Funktionalität des im BF-Modus betriebenen PA-Arrays für das vorgesehene Anregungsschema. Anschließend wird die Interaktion der plasmabasierten Strömungsanregung in einer turbulenten Kanalströmung anhand einer parametrischen Studie für unterschiedliche Kombinationen von Reynolds-Zahl und Oszillationsfrequenz untersucht. Topologische Effekte und resultierende Wandreibungsänderungen werden gemeinsam interpretiert und mit dem Referenzfall der spannweitig oszillierenden Wand verglichen. Die Ergebnisse deuten auf eine Reibungserhöhung hin und zeigen, dass die Strömung durch die Ausbildung dreidimensionaler Wirbelstrukturen dominiert wird, deren Ausprägung von den Strömungs- und Anregungsparametern abhängt. Diese Beobachtungen legen nahe, in zukünftigen Untersuchungen weitere spezifische Parameter zu berücksichtigen, um das Potenzial des Aktuations-Konzepts weiter zu untersuchen. Die durchgeführten Studien basieren auf der elektrischen, optischen und strömungsmechanischen Charakterisierung der Entladungen und der daraus resultierenden Strömungseffekte. Die Eignung verschiedener experimenteller Diagnostikmethoden für Messungen über dem PA-Array wird untersucht. Ein kombinierter elektro-optischer Diagnostikansatz mittels intensitätsverstärkender Bildgebung wird vorgestellt, der die Auswertung von Entladungseigenschaften über den gesamten Plasma- und Oszillationszyklus hinweg ermöglicht. Die Plasmasymmetrie auf dem Array wird anhand von Messungen mit weniger sensitiven Kamerasensoren bewertet. Außerdem wird die Anwendbarkeit von Laser Doppler Velocity Profile Sensor (LDV-PS), Defocusing Particle Tracking Velocimetry (DPTV) and Shake-The-Box (STB) zur Strömungscharakterisierung untersucht. Die Strömungsmessungen über dem Array und in der turbulenten Kanalströmung erfordern dabei eine hohe räumliche Auflösung in Wandnähe. DPTV und STB beruhen auf Lagrange’schem Partikel-Tracking, wodurch sie sich unter diesen Bedingungen als geeignet erweisen, um volumetrische Strömungsfelder mit flexibler räumlicher Auflösung zu erfassen. Zudem kann damit neben der Geschwindigkeit auch die Lagrange’sche Partikelbeschleunigung ausgewertet werden. Die durchgeführten Studien und darin implementierten neuartigen Ansätze bilden zudem über den Umfang dieser Arbeit hinaus die Grundlage für geeignete experimentelle Methoden in zukünftigen Untersuchungen.

The present work investigates plasma-based oscillatory flow forcing aimed at mimicking the drag-reduction effects of laterally oscillating wall actuation in turbulent flows. For this purpose, a gapless dielectric barrier discharge plasma actuator (DBD PA) array is operated in so-called beat-frequency (BF) mode. Reliable array prototypes with high durability and symmetric plasma formation across the array are achieved through hardware modifications. The spatio-temporal forcing characteristics relating underlying discharge properties and resulting flow effects are experimentally investigated in otherwise quiescent air. ... mehrDespite the observation of minor local discharge and forcing irregularities, the results verify the functionality of the array operated in BF mode for the intended actuation scheme. Subsequently, the flow interaction of the plasma-based forcing with a turbulent channel flow is investigated in a parametric study for varying combinations of Reynolds number and oscillation frequency. Topological effects and the resulting drag impact are interpreted together and in comparison to the spanwise oscillating wall reference. The results indicate a drag increase, and show that the flow is dominated by the formation of three-dimensional flow and forcing parameterdependent vortical structures above the array. These observations suggest the consideration of specific additional parameters in future investigations in order to further assess the potential of the plasma-based actuation concept. The conducted studies are based on the electrical, optical and fluid-mechanical characterization of the discharges and resulting flow effects. The suitability of various experimental diagnostic means is investigated for the application of measurement Above the PA. A combined electro-optical approach by means of intensified imaging is introduced, enabling the evaluation of discharge properties throughout the plasma and oscillation cycle. The plasma symmetry across the array is examined with imaging methods using less sensitive camera sensors. Furthermore, the applicability of laser Doppler velocity profile sensor (LDV-PS), defocusing particle tracking velocimetry (DPTV) and Shake-The-Box (STB) for flow characterization is assessed. The flow measurements above the PA array and in a turbulent channel flow require a high spatial resolution in direct wall vicinity. The Lagrangian particle-tracking based measurement approaches, DPTV and STB, are found to be suitable under these conditions for the extraction of volumetric flow fields with flexible spatial resolution, and allow the evaluation of the Lagrangian particle acceleration. The conducted studies and implemented novel approaches further provide the foundation of suitable experimental methods in future investigations beyond the scope of this thesis.