Numerical Simulations of NS-DBD Plasma Actuators for Flow Control

169 Pages·2016·4.14 MB·English

by  Ilya Popov

Delft University of Technology

Numerical Simulations of NS-DBD Plasma Actuators For Flow Control
Popov, Ilya
DOI
10.4233/uuid:f2fa6bd6-4419-494c-ab14-f0c1ec020270
Publication date
2016
Document Version
Final published version
Citation (APA)
Popov, I. (2016). Numerical Simulations of NS-DBD Plasma Actuators For Flow Control.
https://doi.org/10.4233/uuid:f2fa6bd6-4419-494c-ab14-f0c1ec020270
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NUMERICAL SIMULATIONS OF NS-DBD PLASMA
ACTUATORS FOR FLOW CONTROL

NUMERICAL SIMULATIONS OF NS-DBD PLASMA
ACTUATORS FOR FLOW CONTROL
Proefschrift
terverkrijgingvandegraadvandoctor
aandeTechnischeUniversiteitDelft,
opgezagvandeRectorMagnificusprof.ir.K.C.A.M.Luyben,
voorzittervanhetCollegevoorPromoties,
inhetopenbaarteverdedigenop22Maart2016om15:00uur
door
Ilya POPOV
MasterofAppliedPhysicsandMathematics
MoscowInstituteofPhysicsandTechnology
geborenteMoskou,Rusland.
Ditproefschriftisgoedgekeurddoorde
promotor: Prof.dr.F.Scarano
copromotor: Dr.S.J.Hulshoff
Samenstellingpromotiecommissie:
RectorMagnificus, voorzitter
Prof.dr.F.Scarano, TechnischeUniversiteitDelft,LR,promotor
Dr.S.J.Hulshoff, TechnischeUniversiteitDelft,UD-LR,copromotor
Onafhankelijkeleden:
Prof.dr.U.Ebert, CWIAmsterdam
Prof.J-P.Boeuf, CNRSU.PaulSabatier
Prof.dr.ir.L.L.M.Veldhuis, TechnischeUniversiteitDelft,LR
Prof.dr.ir.G.A.M.vanKuik, TechnischeUniversiteitDelft,LR,reservelid
DrA.Y.Starikovskiy, PrincetonUniversity,USA
Overigeleden:
Dr.M.Kotsonis, TechnischeUniversiteitDelft,UD-LR
Keywords: flowcontrol,plasmaactuators,transition,separation
Printedby: SiecaRepro
Front&Back: ImagecreatedbyJ.O’Sullivan.CC-BYlicense.
Copyright©2015byIlyaPopov
CreativeCommonsAttribution-ShareAlike4.0InternationalLicense
ISBN978-94-6186-617-2
Anelectronicversionofthisdissertationisavailableat
http://repository.tudelft.nl/.
v
Inmemoryofmyfather

Contents
Contents vii
Summary xi
Samenvatting xiii
Nomenclature xv
1 Introduction 1
2 Flowcontrol 7
2.1 Overview. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
2.2 Flowcontrolexamples . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
2.3 Plasmaflowcontrol . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
2.4 Plasmaactuators . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
2.4.1 AC-DBDplasmaactuators . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
2.4.2 NS-DBDplasmaactuators . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
2.5 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
3 NS-DBDplasmaactuators 23
3.1 Thephysicsofplasma . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
3.2 Thephysicsofdischarges . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
3.3 ThelayoutofNS-DBDactuators . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
3.4 Operatingparameters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
3.5 Electricalmeasurements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
3.5.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
3.5.2 Experimentalsetup . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
3.5.3 Lowvoltagemeasurements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
3.5.4 Highvoltagemeasurements. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
3.5.5 Energyperpulse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
3.5.6 Conclusionsfromtheexperiments . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
vii
viii CONTENTS
4 NS-DBDactuatormodeling 51
4.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
4.2 NS-DBDeffectsandmodelassumptions . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
4.2.1 Compressibleandthermodynamiceffects . . . . . . . . . . . . . 52
4.2.2 Momentumdeposition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
4.2.3 Spanwiseuniformityoftheactuatoreffects . . . . . . . . . . . . . 56
4.2.4 Temporalproperties. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
4.2.5 Proposedmodel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
4.2.6 Numericalimplementationaspects . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
5 Actuatorinalaminarboundarylayer 63
5.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
5.2 Simulationsetup . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
5.2.1 Simulationdomain . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
5.2.2 Actuatormodel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
5.3 Comparisontoexperimentalmeasurements. . . . . . . . . . . . . . . 65
5.4 Comparisontolinearstabilitytheory . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66
5.4.1 Linearizationerror. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71
5.4.2 Parallelflowassumption . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72
5.4.3 ThedifferencebetweenthePODandLSTanalysis . . . . . . . . . 72
5.4.4 Numericalerrorsofthesimulation . . . . . . . . . . . . . . . . . 75
5.5 Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75
6 Actuatorinafreeshearlayer 79
6.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79
6.2 Actuatormodel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80
6.3 Simulationdescription . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80
6.4 Results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82
6.4.1 Acousticwave . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82
6.4.2 Velocityoscillationsandvortexstructure . . . . . . . . . . . . . . 82
6.4.3 Entropyspot. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87
6.4.4 Flowstatistics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87
6.4.5 Comparisonwithlinearstabilitytheory . . . . . . . . . . . . . . . 88
6.4.6 Effectofvaryingenergyinput . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94
6.4.7 Meshconvergence . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94
6.5 Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94
7 Conclusionsandoutlook 99
7.1 Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99
7.2 Outlook . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100
CONTENTS ix
A NS-DBDplasmaactuatorsonairfoils 103
A.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103
A.2 Setupandmeshing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104
A.2.1 Boundaryconditions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104
A.2.2 Turbulencemodel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106
A.3 Results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106
A.4 Analysisandconclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107
B Properorthogonaldecomposition 111
B.1 Algorithmdescription . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111
B.1.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111
B.1.2 ConstructionofPODbasis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112
B.1.3 ProjectionoftheN-Sequations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114
B.1.4 Flowrateconservation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114
B.1.5 SGSmodel. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115
B.1.6 Weighting . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116
B.2 Validation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116
B.2.1 Laminarvortexshedding . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116
B.2.2 Freeshearlayer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121
C Linearstabilitytheory 127
C.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127
C.2 Temporalstability. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 128
C.3 Spatialstability . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 129
C.4 Validation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 130
C.5 Implementationdetails . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132
Index 133
Bibliography 135
Listofpublications 145
Acknowledgements 149
CurriculumVitæ 151