Performance Characterization and Quantification of Dielectric Barrier Discharge Plasma Actuators

The present work is an attempt to improve the characterization and quantification of the performance of dielectric barrier discharge (DBD) plasma actuators for aerodynamic flow-control applications. Existing measurement and evaluation strategies, together with additional new approaches have been applied and are discussed extensively. Novel scaling numbers are introduced that yield universal and partly non-dimensional key quantities for an improved evaluation of the electrical discharge characteristics and of the environmental influences about the behavior of plasma actuators. The existing strategies to quantify the momentum transfer from the plasma to the surrounding air are reviewed and have been applied to achieve a comprehensive and comparative analysis of the respective differences based on experimentally obtained data. Direct and implicit as well as differential and integral force estimation approaches are discussed. To counteract influences of the environment on the discharge and thus assuring constant plasma-actuator performance, a closed-loop control circuit of the electrical setup is introduced and successfully demonstrated in a proof-of-concept experiment.

Ziel dieser Arbeit ist die Verbesserung der Charakterisierung und Quantifizierung des Arbeitsverhaltens von dielektrischen Barriereentladungsplasma-Aktuatoren im Hinblick auf Anwendungen zur aerodynamischen Strömungskontrolle. Bei den durchgeführten Untersuchungen kamen bestehende und neue Mess- und Auswertungsstrategien zur Anwendung, die ausführlich diskutiert werden. Es werden neuartige Maßzahlen eingeführt, die als universelle und teilweise dimensionslose Kenngrößen eine verbesserte Evaluierung der Leistungsfähigkeit von Plasma-Akuatoren gestatten. Mit Hilfe dieser neuen Kennzahlen ist sowohl eine zuverlässige Erfassung von Entladungszustand und -intensität als auch eine präzise Beurteilung der Umgebungseinflüsse auf das Verhalten des Plasma-Aktuators möglich. Im Rahmen einer umfangreichen Vergleichsstudie fanden Experimente zur Quantifizierung der Impulsübertragung vom Plasma auf die umgebende Luft statt. Dabei kamen alle aktuell exisitierenden Verfahren zur Anwendung. Sie werden auf der Basis der erhaltenen experimentellen Daten gegenüberstellend analysiert. Besondere Beachtung findet dabei sowohl die Trennung von direkten und indirekten Methoden als auch die Unterscheidung zwischen integralen und differentiellen Verfahren zur Bestimmung der Kraft. Um dem Einfluss der Umgebungsbedingungen auf die Gasentladung entgegenzuwirken, wurde das vorhandene elektrische Plasma-Aktuatorsystem um einen Regelkreis erweitert, dessenWirksamkeit an einem Beispiel erfolgreich demonstriert wird.