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On the Nature and Behavior of Filaments in the Dielectric Barrier Discharge of Plasma Actuators

Bürkle, Sebastian :
On the Nature and Behavior of Filaments in the Dielectric Barrier Discharge of Plasma Actuators.
Technische Universität, Darmstadt
[Master Thesis], (2013)

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Item Type: Master Thesis
Title: On the Nature and Behavior of Filaments in the Dielectric Barrier Discharge of Plasma Actuators
Language: English
Abstract:

Plasma actuators based on dielectric barrier discharge (DBD) promise a bright future in aerodynamical applications. By creating a body force in the surrounding gas through plasma – gas interaction, plasma actuators operated in quiescent air induce a small flow above their surface with a velocity of typically 5-8 m/s, the so called ionic wind. The ionic wind can influence the boundary-layer of an externally applied flow surrounding the actuator. Unfortunately, the origin of the body force that lead to the ionic wind is not completely understood yet, since the physics of the underlying discharge is not clarified in detail. The aim of this master-thesis was to improve the understanding of the discharge. Particularly, the micro-scale as well as large-scale filaments observed in the discharge were studied systematically and the theory extended by the results of the performed investigations. Micro-scale filaments, i.e. discharges with a duration of a few nanoseconds, occur due to the dielectric barrier that prevents a continuous discharge and thus arcing.

In the present work, the theoretical models of the different discharge regimes that lead to microscale filaments have been unified. The DBD is proposed to operate in the streamer regime within the positive half-cycle and in the corona regime within the negative half-cycle of the voltage. Streak camera images of the discharge in both half-cycles are captured, supporting the models. Current measurements have been carried out with high performance oscilloscopes. The amplitude spectra of the current show, that the discharge duration is only dependent on the actuator setup and neither on the external voltage nor the half-cycle. This can be explained through the different time scales of the discharge duration and period of the external voltage. The discharge ceases as soon as the internal electric field that builts up due to the space charge of the barrier is sufficiently high to decrease the externally applied electric field to a level below break-down voltage. Since the discharge duration only depends on the surface charge necessary to decrease the field, it is dependent on the setup of the actuator only. In additional experiments it is shown that the amplitude of the discharge current, the number of discharges per half-cycle and the time from first to last discharge within a half-cycle are strongly dependent on half-cycle, voltage amplitude and frequency. It is also shown, that for high-voltage amplitudes, the mean time between two discharges has an asymptotical behavior for different voltage frequencies and half-cycles. This behavior is the same for all frequencies and both half-cycles. The same applies to the duty cycle of the current. The probability distribution of the current amplitudes shows an exponential behavior that is well explainable.

A new theoretical model of the origin and behavior of large-scale filaments is developed in the present thesis. According to this model, the filaments are thermal instabilities of the plasma that lead to a local increase in the gas temperature. The development of the instabilities can be described by a cyclic process. Experiments within this work show that the power-voltage characteristic of the discharge does not depend on the presence of filaments. This can be explained with reduced power consumption in the area between the filaments. This model is supported by images obtained with a thermo-camera. The images also confirm that the temperature in the filaments is rising in accordance with the model. Measurements of the onset voltage for an unstable development under variation of the velocity of an externally applied flow have been carried out.It is shown, that the flow delays the formation of filaments. This is in good agreement with the model. Velocity measurements with a Pitot tube show an increase of the ionic wind velocity in thevicinity of the instabilities compared to the spacing between them. This effect may allow for an improvement of the flow control in future applications.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
Plasma-Aktuatoren mit dielektrischer Barrierentladung verheißen eine viel versprechende Zukunft in der Aerodynamik. Durch die Erzeugung einer Volumenkraft im Gas aufgrund der Plasma-Gas Wechselwirkung können sie in ruhender Luft eine kleine Strömung von 5-8 m/s an ihrer Oberfläche erzeugen, den sogenannten ionischen Wind. Mithilfe dieses Windes lässt sich die Grenzschicht einer externen Strömung um den Aktuator beeinflussen. Allerdings konnte die Entstehung des ionischen Windes noch nicht vollständig geklärt werden, da die Physik der zugrunde liegenden Entladung noch nicht umfassend verstanden ist. Dies soll im Rahmen dieser Masterarbeit verbessert werden. Dazu sollen die mikroskopischen und makroskopischen Filamente, die in der Entladung beobachtet wurden, systematisch untersucht werden und das theoretische Modell um die daraus resultierenden Erkenntnisse erweitert werden. In dieser Arbeit wurden theoretische Modelle zu den verschiedenen Entladungs- Regimen, die zu mikroskopischen Filamenten führen, vereinigt. Diese besagen, dass die Entladung im positiven Halbzyklus von Streamern und im negativen Halbzyklus von einer Korona-Entladung dominiert wird. Aufnahmen der Entladung in beiden Halbzyklen, die mit einer Streak Kamera durchgeführt wurden, unterstützen diese Modelle. Daneben wurden Strommessungen mithilfe von Oszilloskopen mit hoher Bandbreite durchgeführt. Die Amplituden-Spektren dieser Messungen zeigten, dass die Entladungsdauer nur vom Aufbau des Aktuators, nicht aber von der Betriebsspannung oder dem Halbzyklus abhängen. Dies konnte durch die unterschiedlichen Zeitskalen der Entladungsdauer und der Periode der Betriebsspannung erklärt werden. Die Entladung endet, sobald das elektrische Feld, das von der Oberflächenladung der Barriere aufgebaut wird, das elektrische Feld der Betriebsspannung unter die Durchbruchsspannung senkt. Da die Entladungsdauer nur von der zur Reduktion des elektrischen Feldes notwendigen Oberflächenladung abhängt, ist sie nur vom Aufbau des Aktuators abhängig. Weitere Experimente zeigen, dass die Amplitude des Stromes während der Entladung, die Anzahl der Entladungen pro Halbzyklus und die Zeit von erster bis letzter Entladung in einem Halbzyklus stark von der Amplitude und Frequenz der Spannung und vom Halbzyklus abhängen. Ausserdem konnte gezeigt werden, dass sowohl die durchschnittliche Zeit zwischen zwei Entladungen als auch der relative Betriebszyklus mit Entladungen für hohe Spannungen auf eine für alle Spannungsfrequenzen und beide Halbzyklen gemeinsame Asymptote zugehen. Daneben wird in der vorliegenden Arbeit ein neues Modell zur Entstehung und den Eigenschaften der makroskopischen Filamente in der Entladung entwickelt. Die Theorie geht davon aus, dass es sich bei den Filamenten um thermische Instabilitäten im Plasma handelt, die zu einem lokalen Anwachsen der Temperatur führen. Anhand eines Prozess-Zyklus werden die einzelnen Schritte der instabilen Schritte aufgezeigt. Davon ausgehend wird ein Kriterium für die Entstehungsbedingungen für die Entstehung eines instabilen Prozesses berechnet. Die Experimente dieser Arbeit zeigen die Unabhängigkeit des Leistungsverbrauchs der Plasma Aktuatoren vom Auftreten der Instabilitäten. Dies lässt sich durch einen reduzierten Leistungsverbrauch im Gebiet zwischen den Filamenten erklären, was durch Aufnahmen mithilfe einer Thermokamera bestätigt wird. Die Bilder zeigen außerdem ein Anwachsen der Temperatur in den Filamenten, was im Einklang mit dem Modell ist. In der Arbeit wird zudem auch die Abhängigkeit der Mindestspannung für eine instabile Entwicklung von der Geschwindigkeit eines externen Windes am Aktuator untersucht. Es lässt sich zeigen, dass die Strömung eine instabile Entwicklung verzögert. Dies ist in guter Übereinstimmung mit dem Modell. Geschwindigkeitsmessungen des ionischen Windes mithilfe eines Pitotrohrs zeigten eine erhöhte Geschwindigkeit in der Umgebung der Instabilitäten verglichen mit dem Bereich dazwischen. Dieser Effekt lässt sich zukünftig eventuell für eine verbesserte Strömungskontrolle nutzen.German
Place of Publication: Darmstadt
Divisions: 05 Department of Physics > Institute of Nuclear Physics
Date Deposited: 28 May 2013 11:27
Last Modified: 21 Mar 2016 10:53
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-33177
Referees: Hoffmann, Prof. Dieter H. H. and Udera, Dr. Serban
Refereed: 28 November 2012
URI: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/3317
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