Numerische Untersuchung zur aktiven Strömungsbeeinflussung durch Plasma-Aktuatoren: Modellentwicklung und Anwendung

Die vorliegende Forschungsarbeit beschäftigt sich mit der Entwicklung einer empirischen Modellformulierung zur Beschreibung der aerodynamischen Effekte von dielektrischen Barriereentladungs-Plasma-Aktuatoren auf dem Gebiet der numerischen Strömungsmechanik. Im Rahmen einer Vergleichsstudie war es möglich die Stärken der phänomenologischen Modelle – in ihrer einfachen Bedienbarkeit und flexiblen Handhabung – mit dem hohen Maß an Genauigkeit der fluidmechanischen Modelle, in ein empirisches Modell zu überführen. Die Einsatzmöglichkeit der empirischen Modellformulierung im Bereich der aktiven Strömungskontrolle turbulenter Strömungen wurde anhand einer dreidimensionalen Diffusorströmung untersucht. Mit Hilfe eines wirbelauflösenden Reynolds-Spannungs-Modells konnte die Erhöhung der Druckrückgewinnung erfolgreich in der numerischen Simulation abgebildet werden. Darüber hinaus wurde anhand phasengemittelter Geschwindigkeitsmessungen eines plasmainduzierten Wandstrahls dessen zeitliche Entwicklung erfasst und analysiert. Hierbei konnte ein entscheidender Einfluss des instationären Kraftgenerierungs-Prozesses auf die Schwankungsbewegungen festgestellt werden. In den bisherigen Bemühungen, den aerodynamischen Effekt von Plasma-Aktuatoren in numerische Simulationen zu überführen, wurden lediglich die strömungsbeschreibenden Gleichungen herangezogen. Mit letzteren lassen sich jedoch naturgemäß die Schwankungsbewegungen im Rahmen der RANS-Methode (Reynolds-gemittelte Navier-Stokes) nicht abbilden. Um diesem Defizit zu begegnen, wurden die Transportgleichungen der Reynoldsschen Spannungen – welche die Dynamik der Turbulenz beschreiben – um einen zusätzlichen Aktuator spezifischen Produktionsterm erweitert und erfolgreich durch die Einführung einer Modellgleichung umgesetzt. Innerhalb einer Referenzstudie wurde die Wirksamkeit des zusätzlichen Terms mit Hilfe gegenüberstellender experimenteller und numerischer Untersuchungen zur aktiven Kontrolle einer Vorderkantenablösung verdeutlicht. Diese Studie demonstriert somit unmittelbar die außerordentliche Wichtigkeit des neu vorgeschlagenen Aktuator spezifischen Produktionsterms zur realitätsnahen Abbildung der aerodynamischen Effekte von Plasma-Aktuatoren auf dem Gebiet der numerischen Strömungsmechanik.

The present work deals with the development of an empirical model formulation to describe the aerodynamic effects of dielectric barrier discharge plasma-actuators in the field of computational fluid dynamics. An empirical model has been derived from a comparative study, where the advantages of the phenomenological models, i. e. their simple applicability and flexible handling, were combined with the high accuracy of velocity-information based models. The empirical model formulation was tested in the field of turbulent active flow control, where a three-dimensional diffusor flow was chosen as an appropriate test case. The enhancement of pressure recovery has successfully been reproduced in the numerical simulation by the means of an eddy resolving Reynolds-stress model. In addition, the temporal evolution of a plasma-induced wall jet was captured and analyzed by phase-averaged velocity measurements. A crucial impact of the unsteady force-generation process on the velocity fluctuations was uncovered from this investigation. Former efforts on modeling the aerodynamic effects of plasma-actuators in numerical simulations, solely considered the basic equations of fluid mechanics, which by definition cannot describe the fluctuations within the RANS framework (Reynolds-Averaged Navier-Stokes). To counteract this shortcoming, the equations describing the dynamics of the turbulence quantities were extended by a specific plasma-related turbulence production term, which was successfully implemented in a model equation. The effectiveness of the specific plasma-actuator related production term in numerical simulations was clearly demonstrated by performing a combined numerical and experimental investigation into the controlled leading-edge flow separation. Therefore, this study immediately demonstrates the utmost importance of the newly proposed plasma-related turbulence production term to achieve a realistic representation of the aerodynamic effects of plasma-actuators in the field of computational fluid dynamics.