Flow Physics of Coanda Nozzles under Dielectric Barrier Discharge Plasma Actuators

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Modelação experimental para otimização de atuadores a plasma com aplicações em termofluidodinâmica

Publication . Rodrigues, Frederico Miguel Freire; Marques, José Carlos Páscoa; Trancossi, Michele

Os 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.

2019-06Doctoral thesis

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