Browsing by Author "Rodrigues, Frederico Miguel Freire"
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- Improved performance of polyimide Cirlex‐based dielectric barrier discharge plasma actuators for flow controlPublication . Nunes-Pereira, João; Rodrigues, Frederico Miguel Freire; Abdollahzadehsangroudi, Mohammadmahdi; Pascoa, José; Lanceros-Mendez, SenentxuDielectric barrier discharge (DBD) plasma actuators are simple electrohydrodynamic devices, which are able to provide effective aerodynamic control. One of the main components of these devices is the thin dielectric layer, which allows to separate and prevent the arc between the high-voltage electrodes. Different materials can be used as dielectric layer to reduce the power consumption or boost the flow controlling effect of the actuators. In this context, this report presents a comparative study of two commercial polyimides, Kapton and Cirlex, used as dielectric layer of surface DBD plasma actuators. The electrical, dielectric, mechanical, electromechanical, and thermal properties were obtained to evaluate overall performance. It was verified that Cirlex (8.3 W) consumes less power than Kapton (21.3 W) to generate higher induced flow velocity of ≈3.4 m/s for an input voltage of 11 kVpp and 24 kHz. During one AC cycle at 11 kVpp the charge transferred for Cirlex (70 nC) is lower than for Kapton (100 nC), as well as the dielectric breakdown voltage to ignite the plasma discharge, 1.5 and 2.2 kVpp, respectively. The Cirlex DBD presents a higher voltage operation limit (at least 14 kVpp) and a more regular plasma discharge, which results in a more homogenous thermal profile and temperature distribution during its operation. The Cirlex actuator delivered higher mechanical power (6.2 mW) and achieved higher electromechanical efficiency (0.004%). The polyimide Cirlex proved to be a suitable alternative for Kapton to fabricate DBD plasma actuators for flow control with improved performance.
- Modelação experimental para otimização de atuadores a plasma com aplicações em termofluidodinâmicaPublication . Rodrigues, Frederico Miguel Freire; Marques, José Carlos Páscoa; Trancossi, MicheleOs atuadores a plasma são dispositivos de grande simplicidade mas com capacidade comprovada para aplicações nas áreas de controlo ativo de escoamentos e de transferência de calor. Estes dispositivos inovadores apresentam diversas características bastante atrativas tais como, fabricação de elevada simplicidade, peso reduzido, rápido tempo de resposta, baixo consumo de potência e robustez. O presente trabalho foca-se no estudo de atuadores a plasma tendo em vista a otimização destes dispositivos e a sua aplicação em termofluidodinâmica. A interferência eletromagnética gerada pela formação de plasma impossibilita a utilização de diversas técnicas de laboratório convencionais. Como tal, foi idealizada uma instalação experimental baseada em diversas técnicas experimentais que permitem ultrapassar os problemas causados pela interferência eletromagnética. Para além disso, uma técnica experimental não-intrusiva baseada em princípios calorimétricos foi idealizada tendo em vista a quantificação da potência calorifica gerada pela atuação do plasma. Recorrendo à instalação experimental concebida, foi realizada uma análise exaustiva sobre o escoamento induzido por atuadores a plasma de barreira dielétrica de descarga (DBD), incluindo visualizações do jato de parede induzido e medições das velocidades do escoamento. A influência da espessura da camada dielétrica foi avaliada, bem como a influência de diferentes materiais dielétricos. Na análise de diferentes materiais dielétricos, três materiais dielétricos foram propostos como materiais alternativos para a fabricação de atuadores a plasma. A potência mecânica e a eficiência mecânica foram também quantificadas para diferentes espessuras de camada dielétrica e diferentes materiais dielétricos. O conceito de uma nova configuração de atuadores a plasma, designada de “Stair Shaped Dielectric Barrier Discharge Plasma Actuator”, foi apresentado e testado experimentalmente. Foi demonstrado que esta nova configuração permite melhorar a eficiência de atuadores a plasma, sendo que também apresenta uma excelente durabilidade da camada dielétrica. Uma possível aplicação de atuadores a plasma dentro da área do controlo ativo de escoamentos consiste na redução da esteira de veículos. Como tal, um corpo “Ahmed” e um “Backward-facing step” foram testados em túnel de vento e a capacidade de atuadores a plasma para redução da esteira foi demonstrada. As propriedades térmicas de atuadores a plasma foram também analisadas durante o presente trabalho. A potência calorífica gerada por atuadores a plasma DBD foi quantificada e os mecanismos de geração de calor por detrás do funcionamento de atuadores a plasma foram explicados. Os campos de temperatura à superfície de diferentes atuadores a plasma foram obtidos através de termografia de infravermelhos para condições de ar quiescente e também sob influência de um escoamento externo imposto. A influência do escoamento externo no campo de temperaturas de superfície foi também discutida. Um novo sistema de proteção de gelo e controlo de escoamento baseado na impressão de atuadores a plasma DBD de descarga por deslizamento foi proposto.
- Recent Developments on Dielectric Barrier Discharge (DBD) Plasma Actuators for Icing MitigationPublication . Rodrigues, Frederico Miguel Freire; Abdollahzadehsangroudi, Mohammadmahdi; Nunes-Pereira, João; Pascoa, JoséIce accretion is a common issue on aircraft flying in cold climate conditions. The ice accumulation on aircraft surfaces disturbs the adjacent airflow field, increases the drag, and significantly reduces the aircraft’s aerodynamic performance. It also increases the weight of the aircraft and causes the failure of critical components in some situations, leading to premature aerodynamic stall and loss of control and lift. With this in mind, several authors have begun to study the thermal effects of plasma actuators for icing control and mitigation, considering both aeronautical and wind energy applications. Although this is a recent topic, several studies have already been performed, and it is clear this topic has attracted the attention of several research groups. Considering the importance and potential of using dielectric barrier discharge (DBD) plasma actuators for ice mitigation, we aim to present in this paper the first review on this topic, summarizing all the information reported in the literature about three major subtopics: thermal effects induced by DBD plasma actuators, plasma actuators’ ability in deicing and ice formation prevention, and ice detection capability of DBD plasma actuators. An overview of the characteristics of these devices is performed and conclusions are drawn regarding recent developments in the application of plasma actuators for icing mitigation purposes.
- Review of Ceramic Composites in Aeronautics and Aerospace: A Multifunctional Approach for TPS, TBC and DBD ApplicationsPublication . Shvydyuk, Kateryna O.; Nunes-Pereira, João; Rodrigues, Frederico Miguel Freire; Silva, AbilioThe quest for increased performance in the aeronautical and aerospace industries has provided the driving force and motivation for the research, investigation, and development of advanced ceramics. Special emphasis is therefore attributed to the ability of fine ceramics to fulfill an attractive, extreme, and distinguishing combination of application requirements. This is impelled by ensuring a suitable arrangement of thermomechanical, thermoelectric, and electromechanical properties. As a result, the reliability, durability, and useful lifetime extension of a critical structure or system are expected. In this context, engineered ceramic appliances consist of three main purposes in aeronautical and aerospace fields: thermal protection systems (TPS), thermal protection barriers (TBC), and dielectric barrier discharge (DBD) plasma actuators. Consequently, this research provides an extensive discussion and review of the referred applications, i.e., TPS, TBC, and DBD, and discusses the concept of multifunctional advanced ceramics for future engineering needs and perspectives.