Unmanned Aerial Vehicle for Flow Control Experiments with Dielectric Barrier Discharge Plasma

197 Pages·2014·9.05 MB·English

by  Wilm Friedrichs

Unmanned Aerial Vehicle for
Flow Control Experiments with
Dielectric Barrier Discharge Plasma Actuators
Vom Fachbereich Maschinenbau
an der Technischen Universität Darmstadt
zur
Erlangung des Grades eines Doktor-Ingenieurs (Dr.-Ing.)
genehmigte
D i s s e r t a t i o n
vorgelegt von
Dipl.-Ing. Wilm Friedrichs
aus Brake (Unterweser)
Berichterstatter: Prof. Dr.-Ing. C. Tropea
Mitberichterstatter: Prof. Dr.-Ing. U. Klingauf
Tag der Einreichung: 05. November 2013
Tag der mündlichen Prüfung: 14. Januar 2014
Darmstadt 2014
D17
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URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-37765
URL: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/3776
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Hiermit erkläre ich, dass ich die vorliegende Arbeit, abgesehen von
den in ihr ausdrücklich genannten Hilfen, selbständig verfasst habe.
Darmstadt, den 05.11.2013

Abstract
DielectricBarrierDischarge(DBD)plasmaactuatorsarearelativelynovel
type of actuators for active flow control. They offer several benefits, such
asfastreactiontimesduetotheabsenceofmechanicalparts. Ontheother
handthereareseveraldifficultieswhichmustbeovercomebeforetheyreach
a stage of maturity suitable for application on aircraft.
In the present study the design, construction and commissioning of an
Unmanned Aerial Vehicle (UAV) for flow control experiments with plasma
actuators under realistic flight conditions is presented. The UAV has a
wingspanof2.38mandaflightmassofapproximately10kg.Itisequipped
with a flight control system to autonomously conduct the experiments and
record measurement data. The fault-free operation of all systems, despite
electromagnetic emissions from the high-voltage system of the actuators,
and the suitability of the UAV as a flight-test platform have been demon-
strated.
Two sections of the modular wing are used for flow control, different air-
foil and actuator configurations can thus be interchanged. The attainable
Reynoldsnumbersareintherangeof300,000to600,000.Validationofthe
entire system with several configurations has been performed in the wind
tunnel prior to free-flight experiments.
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Kurzfassung
Dielectric Barrier Discharge (DBD) Plasma-Aktuatoren sind eine relativ
neue Art von Aktuatoren zur aktiven Strömungskontrolle. Sie bieten eine
Reihe von Vorteilen, wie ihre schnelle Reaktionszeit aufgrund des Fehlens
von mechanischen Teilen. Andererseits gibt es einige Problematiken, die
überwundenwerdenmüssen,bevorsieeinenfürdieVerwendungaufFlugzeu-
gen erforderlichen Reifegrad erreichen.
IndervorliegendenArbeitwirddaherdieEntwicklung,Konstruktionund
Inbetriebnahme eines Unmanned Aerial Vehicle (UAV) zur Durchführung
von Experimenten zur Strömungskontrolle mit Plasma-Aktuatoren unter
realen Flugbedingungen beschrieben. Das UAV hat eine Spannweite von
2,38 m und eine Flugmasse von circa 10 kg. Zur automatischen Durch-
führungderExperimenteundMessdatenerfassungistesmiteinemFlugkon-
trollsystem ausgerüstet. Die störungsfreie Funktion aller Systeme, trotz
elektromagnetischerEinstreuungdurchdasHochspannungssystemderAk-
tuatoren, und die Eignung des UAV als Messplattform wurden gezeigt.
ZweiSegmentedesmodularaufgebautenFlügelswerdenzurStrömungs-
kontrolle genutzt, verschiedene Flügelprofile und Aktuatorkonfigurationen
können so verwendet und gegeneinander ausgetauscht werden. Die hierbei
erreichten Reynoldszahlen liegen im Bereich von 300.000 bis 600.000. Vor
Experimenten im Freiflug wurde eine Validierung des Gesamtsystems mit
verschiedenen Konfigurationen im Windkanal durchgeführt.
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Acknowledgements
I would like to thank my doctoral advisor Prof. Dr.-Ing. Cameron Tropea
forprovidingtheopportunityofpursuingtheresearchleadingtothisthesis.
I am grateful for the advice and support over the years from him and Dr.-
Ing. Sven Grundmann. Furthermore, I would like to thank Prof. Dr.-Ing.
Uwe Klingauf for refereeing this thesis.
IamtrulygratefultoallcolleaguesandtheworkshopteamsattheCenter
ofSmartInterfacesandtheInstituteofFluidMechanicsandAerodynamics
in Griesheim for their advice and support. Special thanks go to Johannes
Meyer from the Institute of Flight Systems and Automatic Control for his
patience and ongoing help with the flight control system and Ralf Kaiser
for enablingthe flight experiments. Furthermore, I would like to thank my
students, who with their work fundamentally contributed to this study.
Theresearchleadingtotheresultspresentedinthisworkwasconducted
aspartofthePLASMAEROproject. Theprojecthasreceivedfundingfrom
the European Community’s Seventh Framework Programme FP7/2007-
2013 under grant agreement n◦234201. Further support has come from
theDeutscheForschungsgemeinschaftthroughExcellenceClusterEXC259
’Smart Interfaces’.
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