Numerical simulation of aerodynamic plasma actuator effects

The present work used an in-house code (FASTEST) for solving the incompressible Navier-Stokes equations with Finite Volume Method applied to the flow over a flat plate influenced by plasma actuators. The actuators were modeled using experimental data (from PIV) for a precise evaluation of the plasma body force and its fluid mechanic effects. This method is proven and found to have a good accuracy suitable for a quantitative analysis of the proposed test cases. Tollmien-Schlichting waves were artificially excited upstream the actuators position. The waves develop downstream of the excitation point and are amplified in certain frequency modes. The use of plasma actuators can attenuate or cancel the Tollmien-Schlichting waves. This process can be used for turbulence delay and reduction of drag coefficients in aircraft wings. Several modes of operation of the plasma actuators were tested in different arrangements and power supply. For cycle operational mode of the plasma actuator, one sensor was used a few millimeters downstream the actuator and the setup parameters are optimized with the help of an optimization algorithm. Linear Stability Analysis was also performed with the data obtained from Direct Numerical Simulations to investigate the influence of the actuator in the flow stability proprieties.

In dieser Arbeit wird ein in-house code (FASTEST) basierend auf der Finite-Volumen-Methode verwendet, um die inkompressiblen Navier-Stokes-Gleichungen einer Strömung über eine ebene Platte beeinflusst durch Plasma-Aktuatoren zu lösen. Die Aktuatoren wurden mit Hilfe experimenteller Daten (aus PIV Messungen) für eine präzise Auswertung der Plasma-Volumenkraft und ihrer strömungsmechanischen Effekte modelliert. Die Methode wurde überprüft und bietet eine gute Genauigkeit für eine quantitative Analyse der vorgeschlagenen Testfälle. Tollmien-Schlichting-Wellen wurden stromaufwärts der Aktuatoren künstlich angeregt. Die Wellen entstehen stromab des Anregungspunktes und werden in bestimmten Frequenzen verstärkt. Die Verwendung von Plasma-Aktuatoren kann die Tollmien-Schlichting Wellen dämpfen oder auslöschen. Dieser Prozess kann zur Verzögerung der Turbulenz und zur Verringerung des Strömungswiderstandskoeffizienten in Flugzeugtragflächen verwendet werden. Mehrere Betriebsmodi der Plasma-Aktuatoren wurden mit unterschiedlichen Anordnungen und Stromversorgungen getestet. Im amplitudenmodulierten Betriebmodus des Plasma-Aktuators wurde ein Sensor wenige Millimeter hinter dem Aktuator platziert und die Betriebsparameter wurden mit Hilfe eines Optimierungsalgorithmus optimiert. Ebenso wurde mit den Daten aus Direkten Numerischen Simulationen eine lineare Stabilitätsanalyse durchgeführt, um den Einfluss des Aktuators auf die Eigenschaften der Strömungsstabilität zu untersuchen.