Dielectric barrier discharge plasma actuator study for low reynolds number flow control

Abstract

유전체 장벽방전을 이용한 플라즈마 구동기는 펌프나 유동 이동용 파이프 없이도 벽면 유동을 발생시킬 수 있어 기존의 유동제어 장치가 설치되기 어려운 곳에도 상대적으로 간단하게 장착할 수 있다는 장점이 있다. 이 덕분에 최근 몇 년간 저 레이놀즈 수 영역에서 유용한 유동제어 장치로 연구되었으나 낮은 유동속도와 성능 예측이 어렵다는 단점으로 인하여, 실제 활용을 위한 연구에 있어서는 어려움을 겪고 있다. 본 연구에서는 플라즈마 구동기의 반실험적 추력 모델을 위해 추력기의 설계요소, 운용조건이 고려된 추력 식을 구성하였으며, 이를 본인이 측정한 결과와 기존의 실험결과 등과 비교해 검증하였다. 또한 이를 전산유체 해석과 결합하여 플라즈마 구동기에 의한 2차원 벽면 유동으로 나타내고 이를 실험결과와 비교, 검증하였다. 3차원 형태에 대해서는 플라즈마 구동기에 의한 와류 생성기를 구성하였고 반실험적 모델에 의한 와류 생성 결과와 실험 간의 결과를 비교하였다. 구성된 모델을 통해 복잡한 이온-전기장-유체 해석 없이도 플라즈마 구동기에 의한 유동변화를 나타낼 수 있게 되었고, 플라즈마 구동기와 적용된 시스템이 결합된 복잡한 상황에서의 유동변화를 상대적으로 쉽게 계산할 수 있게 하였다. 와류 발생기의 형태로 플라즈마 구동기를 구성하여, 앞서 언급한 모델을 활용해 플라즈마 와류 발생기의 구동 및 운용 조건의 변화에 대한 해석을 쉽게 수행하였다. 플라즈마 와류 발생기의 활용 가능성을 비유선형 물체에 발생하는 후류 박리에 의한 저항 감소를 통해 확인하였으며, 다양한 구동 및 운용 조건 관련 매개변수를 연구하였다. 매개변수에 의한 비유선형 물체의 공기저항 변화는 전산유체 해석과 풍동 실험을 통해 수행되었고, 최대 10%의 저항감소 효과와 두 방법간의 일치를 확인하였다. 또한 유동 가시화 실험을 통해 와류 발생기에서 발생하는 와류와 박리 억제를 확인할 수 있었다. 매개변수 변화에 따른 해석 및 실험 결과는 무차원 해석을 통해 플라즈마 와류 발생기의 성능에 민감한 요소의 변화에 따른 경향을 확인하였다.