Siłownik plazmowy - Plasma actuator
Siłowniki plazmowe to rodzaj siłowników opracowywanych obecnie do aerodynamicznej kontroli przepływu . Siłowniki plazmowe przekazują siłę w sposób podobny do jonokraftu . Sterowanie przepływami plazmy przyciągnęło znaczną uwagę i było stosowane w przyspieszaniu warstwy granicznej, sterowaniu separacją płata, sterowaniu separacją czoła, sterowaniu separacją łopatek turbiny, zwiększeniu stabilności osiowej sprężarki, przenoszeniu ciepła i sterowaniu strumieniem o dużej prędkości.
Działanie tych siłowników opiera się na tworzeniu niskotemperaturowej plazmy między parą asymetrycznych elektrod poprzez przyłożenie do elektrod wysokonapięciowego sygnału AC. W konsekwencji cząsteczki powietrza z powietrza otaczającego elektrody ulegają jonizacji i są przyspieszane przez pole elektryczne.
Wstęp
Siłowniki plazmowe pracujące w warunkach atmosferycznych są obiecujące pod względem sterowania przepływem, głównie ze względu na swoje właściwości fizyczne, takie jak indukowana siła ciała przez silne pole elektryczne i wytwarzanie ciepła podczas łuku elektrycznego oraz prostota ich budowy i rozmieszczenia. W szczególności, niedawny wynalazek siłowników plazmowych wyładowań jarzeniowych autorstwa Rotha (2003), które mogą wytwarzać wystarczające ilości plazmy wyładowania jarzeniowego w powietrzu o ciśnieniu atmosferycznym, pomaga uzyskać wzrost wydajności kontroli przepływu.
Układy zasilania i elektrod
W różnych konfiguracjach siłowników plazmowych można stosować zasilanie prądem stałym (DC) lub prądem przemiennym (AC) albo mikrowyładowanie mikrofalowe. Jako przykład podano tutaj jeden schemat konstrukcji zasilacza prądu przemiennego dla siłownika plazmowego z wyładowaniem z barierą dielektryczną . Wydajność siłowników plazmowych jest określona przez materiały dielektryczne i pobór mocy, później jest ograniczona właściwościami MOSFET lub IGBT .
Przebiegi sterujące można zoptymalizować, aby uzyskać lepsze uruchamianie (indukowana prędkość przepływu). Jednak sinusoidalny kształt fali może być preferowany ze względu na prostotę konstrukcji zasilacza. Dodatkową korzyścią jest stosunkowo mniej zakłóceń elektromagnetycznych . Modulacja szerokości impulsu może być dostosowana do natychmiastowej regulacji siły aktywacji.
Wykazano, że manipulowanie zakapsułkowaną elektrodą i rozprowadzanie zakapsułkowanej elektrody w warstwie dielektrycznej zmienia działanie siłownika plazmowego z wyładowaniem barierowym dielektrycznym (DBD). Umieszczenie początkowej obudowanej elektrody bliżej powierzchni dielektryka powoduje, że indukowane prędkości są wyższe niż w przypadku linii bazowej dla danego napięcia. Ponadto siłowniki z płytką elektrodą początkową są w stanie wydajniej nadawać przepływowi pęd i moc mechaniczną.
Bez względu na to, ile pieniędzy zostało zainwestowanych i ile różnych prywatnych roszczeń dotyczących wysokiej prędkości indukowanej, maksymalnej, średniej prędkości indukowanej przez siłowniki plazmowe przy przekonaniu o ciśnieniu atmosferycznym, bez pomocy wzmacniacza mechanicznego (komora, wnęka itp.), nadal jest mniejsza niż 10 m/s.
Wpływ temperatury
Temperatura powierzchni odgrywa ważną rolę w ograniczeniu użyteczności inicjatora plazmowego wyładowania bariery dielektrycznej. Siła ciągu wytwarzana przez siłownik w powietrzu w stanie spoczynku wzrasta wraz z prawem mocy przyłożonego napięcia. W przypadku napięć większych niż próg wykładnik prawa potęgowego zmniejsza ograniczenie wzrostu ciągu, a siłownik mówi się, że jest „nasycony”, ograniczając wydajność siłownika. Początek saturacji można wizualnie skorelować z pojawieniem się zdarzeń wyładowań włóknistych. Efektem nasycenia można manipulować, zmieniając lokalną temperaturę powierzchni dielektryka. Ponadto, mając do czynienia z prawdziwym samolotem wyposażonym w siłowniki plazmowe, należy wziąć pod uwagę wpływ temperatury. Zmiany temperatury napotkane podczas obwiedni lotu mogą mieć niekorzystny wpływ na działanie siłownika. Stwierdzono, że dla stałego napięcia międzyszczytowego maksymalna prędkość wytwarzana przez siłownik zależy bezpośrednio od temperatury powierzchni dielektryka. Odkrycia sugerują, że poprzez zmianę temperatury siłownika wydajność można utrzymać, a nawet zmienić w różnych warunkach środowiskowych. Zwiększenie temperatury powierzchni dielektryka może zwiększyć wydajność siłownika plazmowego poprzez zwiększenie strumienia pędu przy jednoczesnym zużyciu nieco większej energii.
Aplikacje do kontroli przepływu
Niektóre z ostatnich zastosowań aktywacji plazmy obejmują szybkie sterowanie przepływem za pomocą zlokalizowanych siłowników plazmowych z żarnikiem łukowym oraz sterowanie przepływem o małej prędkości z wykorzystaniem wyładowań barierowych do separacji przepływu i sterowania przebudową 3D oraz sterowania dźwiękiem i wyładowaniami ślizgowymi. Obecne badania aktuatorów plazmowych skupiają się głównie na trzech kierunkach: (1) różnych konstrukcji aktuatorów plazmowych; (2) aplikacje kontroli przepływu; oraz (3) zorientowane na sterowanie modelowanie aplikacji przepływowych pod działaniem plazmy. Ponadto opracowywane są nowe metody eksperymentalne i numeryczne, aby zapewnić fizyczne wglądy.
Generator wirów
Siłownik plazmowy indukuje lokalne zaburzenia prędkości przepływu, które będą rozwijane za arkuszem wirowym. W rezultacie siłowniki plazmowe mogą zachowywać się jak generatory wirów . Różnica między tą a tradycyjną generacją wirów polega na tym, że nie ma mechanicznych ruchomych części ani żadnych otworów na powierzchniach aerodynamicznych, co wskazuje na ważną zaletę siłowników plazmowych. Siłowniki trójwymiarowe, takie jak siłownik plazmowy o geometrii Serpentine, generują wiry zorientowane strumieniowo, które są przydatne do kontrolowania przepływu.
Aktywna kontrola hałasu
Aktywna kontrola szumów zwykle oznacza eliminację szumów, co oznacza, że głośnik z redukcją szumów emituje falę dźwiękową o tej samej amplitudzie, ale z odwróconą fazą (znaną również jako antyfaza) w stosunku do oryginalnego dźwięku. Jednak aktywna kontrola hałasu za pomocą plazmy przyjmuje różne strategie. Pierwsza z nich wykorzystuje odkrycie, że ciśnienie dźwięku może być tłumione, gdy przechodzi przez arkusz plazmy . Drugim, coraz szerzej stosowanym, jest aktywne tłumienie pola przepływu odpowiedzialnego za hałas wywołany przepływem (znany również jako aeroakustyka ) za pomocą siłowników plazmowych. Wykazano, że zarówno szum tonalny, jak i szum szerokopasmowy (różnica może odnosić się do szumu tonalnego i szerokopasmowego ) mogą być aktywnie tłumione przez starannie zaprojektowany siłownik plazmowy.
Naddźwiękowa i naddźwiękowa kontrola przepływu
Plazma została wprowadzona do naddźwiękowej kontroli przepływu. Po pierwsze, plazma mogłaby być znacznie łatwiej wygenerowana dla pojazdu naddźwiękowego na dużej wysokości przy dość niskim ciśnieniu atmosferycznym i wysokiej temperaturze powierzchni. Po drugie, klasyczna powierzchnia aerodynamiczna ma niewielki wpływ na obudowę.
Zainteresowanie siłownikami plazmowymi jako urządzeniami do aktywnego sterowania przepływem szybko rośnie ze względu na brak części mechanicznych, niewielką wagę i wysoką częstotliwość odpowiedzi. Zbadano charakterystykę aktywatora plazmowego z dielektrycznym wyładowaniem barierowym (DBD) wystawionego na niestabilny przepływ generowany przez rurę uderzeniową . Badanie pokazuje, że nie tylko warstwa ścinana na zewnątrz rurki uderzeniowej jest pod wpływem plazmy, ale także przejście frontu uderzeniowego i szybki przepływ za nim również ma duży wpływ na właściwości plazmy
Kontrola lotów
Siłowniki plazmowe mogą być montowane na profilu w celu kontrolowania położenia lotu, a następnie trajektorii lotu. W ten sposób można zaoszczędzić kłopotliwe prace projektowe i konserwacyjne mechanicznych i hydraulicznych układów przeniesienia napędu w klasycznym sterze. Ceną do zapłacenia jest zaprojektowanie odpowiedniej instalacji elektrycznej wysokiego napięcia/mocy spełniającej zasadę EMC. Stąd, poza kontrolą przepływu, siłowniki plazmowe mają potencjał w sterowaniu lotem na najwyższym poziomie, w szczególności w badaniach bezzałogowych statków powietrznych i planet pozaziemskich (przy odpowiednich warunkach atmosferycznych).
Z drugiej strony należy ponownie przemyśleć całą strategię sterowania lotem z uwzględnieniem charakterystyk siłowników plazmowych. Na rysunku pokazano jeden system wstępnego sterowania przechyłem z siłownikami plazmowymi DBD.
Widać, że siłowniki plazmowe rozmieszczone są po obu stronach płata. Kontrola przechyłu może być kontrolowana przez aktywację siłowników plazmowych zgodnie ze sprzężeniem zwrotnym kąta przechyłu. Po przestudiowaniu różnych metodologii sterowania ze sprzężeniem zwrotnym, do zaprojektowania systemu sterowania przechyłem opartego na siłownikach plazmowych wybrano metodę sterowania hukiem i hukiem . Powodem jest to, że sterowanie bang-bang jest optymalne czasowo i niewrażliwe na działania plazmy, które szybko zmieniają się w różnych warunkach atmosferycznych i elektrycznych.
Przenikanie ciepła
Przenoszenie ciepła aktywowane przez plazmę (lub przenoszenie ciepła wspomagane plazmą) to metoda chłodzenia gorących powierzchni wspomagana przez akcelerator płynu elektrostatycznego (EFA), taki jak siłownik plazmowy z wyładowaniem bariery dielektrycznej (DBD) lub siłownik plazmowy z wyładowaniem koronowym . Transfer ciepła za pomocą plazmy jest jednym z proponowanych zastosowań siłowników plazmowych EFA.
Wymuszone chłodzenie
Wszystkie urządzenia elektroniczne wytwarzają nadmiar ciepła, które należy usunąć, aby zapobiec przedwczesnej awarii urządzenia. Ponieważ w urządzeniu występuje ogrzewanie, powszechną metodą zarządzania temperaturą w elektronice jest generowanie przepływu masowego (na przykład przez wentylatory zewnętrzne), który powoduje kontakt chłodniejszego powietrza z otoczenia z gorącym urządzeniem. Przenikanie ciepła netto następuje między gorętszą elektroniką a chłodniejszym powietrzem, obniżając średnią temperaturę elektroniki. W przenoszeniu ciepła za pomocą plazmy, siłowniki plazmowe EFA generują przepływ wtórny do przepływu masowego, powodują lokalne przyspieszenie płynu w pobliżu siłownika plazmowego i ostatecznie mogą rozrzedzać warstwę graniczną temperatury i prędkości w pobliżu elektroniki. W rezultacie chłodniejsze powietrze jest zbliżane do gorącej elektroniki, co poprawia wymuszone chłodzenie powietrzem. Aktywowany plazmowo transfer ciepła może być wykorzystywany jako rozwiązanie do zarządzania temperaturą w urządzeniach mobilnych, notebookach, ultramobilnych komputerach i innej elektronice lub w innych zastosowaniach, które wykorzystują podobne konfiguracje wymuszonego chłodzenia powietrzem.
Chłodzenie folii
W zastosowaniach inżynieryjnych, w których występują środowiska o znacznie wysokiej temperaturze, takie jak te występujące w łopatkach turbin gazowych , gorące konstrukcje muszą być chłodzone, aby złagodzić naprężenia termiczne i uszkodzenia konstrukcji. W tych zastosowaniach jedną z najczęściej stosowanych technik jest chłodzenie warstwowe, w którym wtórny płyn, taki jak powietrze lub inny czynnik chłodzący, jest wprowadzany na powierzchnię w środowisku o wysokiej temperaturze. Płyn wtórny zapewnia chłodniejszą warstwę izolacyjną (lub folię) wzdłuż powierzchni, która działa jak radiator, obniżając średnią temperaturę w warstwie granicznej . Ponieważ płyn pomocniczy jest wtryskiwany na powierzchnię w oddzielnych otworach na powierzchni, część płynu pomocniczego jest wydmuchiwana z powierzchni (szczególnie przy wysokich stosunkach pędu wstrzykiwanego powietrza do przepływu krzyżowego), zmniejszając skuteczność procesu chłodzenia filmu. W przenoszeniu ciepła za pomocą plazmy, siłowniki plazmowe EFA są używane do sterowania płynem pomocniczym za pomocą siły dynamicznej, która sprzyja przyczepianiu się płynu pomocniczego do gorącej powierzchni i poprawia skuteczność chłodzenia filmu.
Modelowanie
Zaproponowano różne modele numeryczne do symulacji działania plazmy podczas sterowania przepływem. Są one wymienione poniżej według kosztu obliczeniowego, od najdroższego do najtańszego.
- metoda Monte Carlo plus cząstka w komórce ;
- Modelowanie energii elektrycznej sprzężone z równaniami Naviera-Stokesa ;
- Model elementów skupionych sprzężony z równaniami Naviera-Stokesa
- Model zastępczy do symulacji działania plazmy.
Najważniejszym potencjałem siłowników plazmowych jest ich zdolność do mostkowania płynów i elektryczności. Nowoczesny układ sterowania w pętli zamkniętej i następujące informacje teoretyczne mogą być zastosowane w stosunkowo klasycznych naukach o aerodynamice. Zorientowany na sterowanie model uruchamiania plazmy w sterowaniu przepływem został zaproponowany dla przypadku sterowania przepływem wnęki.
Zobacz też
- Silnik jonowy
- Siłownik plazmowy o geometrii serpentynowej
- Bezskrzydły elektromagnetyczny pojazd powietrzny
- Wyładowanie bariery dielektrycznej
- Lista artykułów dotyczących plazmy (fizyki)