Active Vortex Generation using Dielectric Barrier Discharge Plasma Actuators in Laminar Boundary Layers

The aim of this study is the characterization and quantification of dielectric barrier discharge plasma actuators when applied to the generation of stable vortices in laminar boundary layers for flow control. To this aim, existing measurement and analysis strategies were applied and extended. Using a specific actuator configuration the lower and upper operation limits have been identified. Between these limits, a constant and two-dimensional force distribution of the actuator can be expected. These operation limits were used to define the parameter range for the description of the induced body force in extent and magnitude. Alongside with this characterization the time resolved force production was analyzed. Based on these studies, the influencing parameters resulting from the actuator setup and the operating conditions were analyzed and quantified. Empirically determined scaling laws describing each influencing parameter were introduced. This enabled an improved prediction of the induced force for varying operating conditions. In addition to this direct scaling of the induced force by influencing the discharge, an indirect scaling method was presented by a non-continuous operation. This reduces the time-averaged force production and, therefore, allows decoupling of the force magnitude and its spatial extent. The analysis of the influencing parameters of the force production was used as a basis for parameter identification during the generation of longitudinal vortices by plasma actuator arrays. The qualification of plasma actuator vortex generators for transition control was demonstrated by the damping of Tollmien-Schlichting waves in laminar boundary layers in two different wind tunnels.

Ziel dieser Arbeit ist die Charakterisierung und Quantifizierung von dielektrischen Barriereentladungs-Plasma-Aktuatoren im Hinblick auf die Erzeugung stabiler Wirbel in laminaren Grenzschichten zur Strömungskontrolle. Bei den durchgeführten Untersuchungen wurden bestehende Mess- und Auswertungsstrategien angewendet und erweitert. Am Beispiel einer Aktuatorkonfiguration wurde der Arbeitsbereich identifiziert in dem eine konstante und zweidimensionale Kraftverteilung des Aktuators angenommen werden kann. Dieser Arbeitsbereich diente als Parameterraum um die erzeugte Volumenkraft in ihrer Ausdehnung und Magnitude zu beschreiben. Dabei wurde auch die zeitliche Entwicklung der Kraft untersucht. Basierend auf diesen Untersuchungen wurden Parametereinflüsse die aus dem Aufbau und den Betriebsmodi des Aktuators resultieren analysiert und quantifiziert. Empirisch ermittelte Skalierungsgrößen zur Beschreibung der Parameter wurden eingeführt, um eine verbesserte Vorhersage der erzeugten Kraft ermöglichen. Neben dieser direkten Skalierung der Kraft, die durch eine Veränderung der Entladung erreicht wird, wurde eine indirekte Skalierungsmethode vorgestellt. Hierbei wird durch einen nicht kontinuierlichen Betrieb die Kraft im zeitlichen Mittel reduziert und somit ermöglicht, die Magnitude der Kraft von ihrer räumlichen Ausdehnung zu entkoppeln. Diese Parameteruntersuchung diente als Grundlage zu Identifizierung der Einflussgrößen bei der Erzeugung von longitudinalen Wirbeln mit Plasma- Aktuator-Wirbelgeneratoren. Die Qualifikation von Plasma-Aktuator- Wirbelgeneratoren zur Transitionskontrolle wurde anhand der Dämpfung von Tollmien-Schlichting Wellen in laminaren Grenzschichten in zwei verschiedenen Windkanälen gezeigt.