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In-Flight Application of Dielectric Barrier Discharge Plasma Actuators for Active Wave Control

Kurz, Armin :
In-Flight Application of Dielectric Barrier Discharge Plasma Actuators for Active Wave Control.
Technische Universität Darmstadt, Darmstadt
[Ph.D. Thesis], (2017)

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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: In-Flight Application of Dielectric Barrier Discharge Plasma Actuators for Active Wave Control
Language: English
Abstract:

In the presented study the active closed-loop control of boundary layer disturbances using dielectric barrier discharge plasma actuators is investigated. The main goal of the study was to increase the technological level of the technique and to demonstrate its applicability in flight under realistic atmospheric conditions. For this purpose an experimental setup has been developed, which can be utilized in the wind tunnel, as well as on a GROB G109b motorized glider. The wing glove provides storage space for the necessary data acquisition equipment and features exchangeable measurement inlays housing the actuators and sensors without interfering with the structural integrity of the aircraft’s wing. Additionally, the plasma actuator offers two variations in the mode of operation. On the one hand, the direct frequency mode has been investigated, which means the plasma actuator is operated directly at the frequency of the boundary layer disturbances to be controlled. On the other hand, the plasma actuator offers the possibility to combine boundary layer stabilization and active wave control in a single device. This hybrid mode of operation has been successfully investigated during this study for the first time. Boundary layer stabilization is applied by injection of momentum into the lower boundary layer, increasing its local stability. Using adaptive control and suitable flow sensors, the remaining boundary layer disturbances can be further reduced by the principle of negative linear superposition. The energy requirements of the plasma actuator are not significantly altered due to the periodic nature of the additional amplitude modulation as compared to pure boundary layer stabilization. Therefore, the control efficiency is increased. Significant transition delay results could be demonstrated in the wind tunnel, as well as in flight under atmospheric conditions.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
Die vorliegende Arbeit behandelt die aktive Kontrolle von Grenzschichtinstabilitäten mit Hilfe von Plasma-Aktuatoren basierend auf dielektrischer Barriere-Entladung. Das Hauptziel der Arbeit ist es, die Methode weiter zu entwickeln und deren Anwendbarkeit im Flug unter realistischen, atmosphärischen Bedingungen zu demonstrieren. Zu diesem Zweck wurde ein experimenteller Aufbau entwickelt, welcher sowohl im Windkanal als auch im Flug auf einem der Motorsegler vom Typ GROB G109b zum Einsatz kommen kann. Der Flügelhandschuh stellt dabei den Einbauraum für die notwendige Datenerfassung bereit und wurde mit austauschbaren Einsätzen ausgestattet, die es erlauben Sensoren und Aktuatoren ohne Eingriffe in die Struktur des Flugzeugs zu installieren. Zusätzlich erlaubt der Plasma-Aktuator zwei Variationen seines Betriebsmodus. Zum einen wurde die direkte Frequenzanpassung untersucht, was bedeutet, dass der Plasma-Aktuator direkt mit der Frequenz der Grenzschichtstörungen, die kontrolliert werden sollen, betrieben wird. Zum anderen bietet der Plasma-Aktuator zudem die Möglichkeit eine aktive Grenzschichtstabilisierung mit einer aktiven Wellendämpfung in einem Bauelement zu vereinen. Dieser sogenannte hybride Betriebsmodus konnte erstmals erfolgreich im Zuge dieser Untersuchungen angewandt werden. Die Grenzschichtstabilisierung wird dabei durch die Einbringung eines kontinuierlichen Impulses in die untere Grenzschicht erreicht, wodurch die lokale Stabilität gegenüber Störungen erhöht wird. Unter Zuhilfenahme von adaptiven Regelalgorithmen und geeigneten Strömungssensoren, können dann die verbleibenden Störungen über das Prinzip der negativen Superposition weiter gedämpft werden. Der Energiebedarf des Plasma-Aktuators wird durch die zusätzliche periodische Modulation des Ansteuerungssignals im Vergleich zur Grenzschichtstabilisierung nur unwesentlich verändert. Dadurch ist die Effizienz der Strömungskontrolle erhöht. Signifikante Transitionsverzögerungsraten konnten sowohl im Windkanal, als auch im Flug unter atmosphärischen Bedingungen erzielt werden.German
Place of Publication: Darmstadt
Classification DDC: 600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 620 Ingenieurwissenschaften
Divisions: 16 Department of Mechanical Engineering > Fluid Mechanics and Aerodynamics (SLA)
Exzellenzinitiative > Clusters of Excellence > Center of Smart Interfaces (CSI)
Date Deposited: 19 Jan 2017 08:29
Last Modified: 19 Jan 2017 08:29
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-59294
Referees: Tropea, Prof. Dr. Cameron and King, Prof. Dr. Rudibert and Grundmann, Prof. Dr. Sven
Refereed: 26 January 2016
URI: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/5929
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