Optimization of plasma actuators for flow control

Gli attuatori al plasma sono una tecnologia di controllo di flussi aerodinamici relativamente innovativa, i quali possono essere applicati in una grande varieta di problemi, compresi riduzione di rumore e resistenza, controllo della separazione e della transizione laminare-turbolenta. Nonostante numerosi punti di forza rispetto a tecnologie equivalenti, tra cui il peso e l’ingombro limitati, la facilita di realizzazione, la possibilita di applicarli su superfici gia esistenti e i tempi di risposta estremamente rapidi, richiedono ancora ulteriore studio e ottimizzazione per superare alcune limitazioni, in particolare un’autorita di controllo non elevata in presenza di flussi ad alta velocita. In questo lavoro sperimentale, svolto al Politecnico di Milano e all’Institut PPrime, a Poitiers, viene eseguita una caratterizzazione di attuatori al plasma, sia corona sia DBD (dielectric barrier discharge, ovvero scarica con barriera dielettrica), con geometria multi-punta, cioe con punte triangolari sugli elettrodi attivi. Questa geometria era gia stata introdotta per i DBD in alcuni lavori di letteratura, anche se una vera e propria ottimizzazione della geometria non era mai stata eseguita, mentre e innovativa per i corona. In primo luogo, la velocita indotta da 30 diversi attuatori viene confrontata al banco, con lo scopo di individuare una geometria ottimale per le punte. In secondo luogo, gli stessi attuatori sono applicati su un profilo NACA0015 in galleria del vento, per un problema di controllo della separazione, in cui le prestazioni degli attuatori sono valutate in termini di modifiche ai cofficienti di portanza e resistenza, misurati tramite una bilancia appositamente realizzata per l’esperimento. Sia l’attuazione stazionaria sia quella instazionaria sono investigate. Quest’ultima, che consiste in un segnale di tensione sinusoidale modulato con un’onda quadra, e innovativa in questa forma per gli attuatori a corona; varie combinazioni di frequenza ridotta (di modulazione) e duty cycle vengono esplorate. Infine, un DBD e un corona multi-punta sono selezionati e profondamente caratterizzati attraverso misure della potenza consumata, fotografie ICCD della scarica al banco e velocimetria ad immagini di particelle (PIV) risolta nel tempo con gli attuatori installati sul profilo NACA0015 in galleria del vento, in modo da acquisire una conoscenza piu approfondita dei meccanismi di controllo. Le varie campagne sperimentali permettono di caratterizzare il flusso indotto da questi attuatori e il loro comportamento in un problema di controllo della separazione su un profilo aerodinamico. Geometrie e combinazioni di parametri elettrici ottimali sono individuate. Le punte incrementano la velocita indotta e le prestazioni di controllo del flusso rispetto alle configurazioni tradizionali “lineari” (senza punte). Per gli attuatori a corona, la stabilita di scarica, una delle principali limitazioni di questi dispositivi, viene notevolmente migliorata dall’utilizzo di punte acuminate (e dall’attuazione instazionaria), mentre per i DBD le punte promuovono la creazione di strutture vorticose che possono aumentare l’autorita di controllo. L’attuazione stazionaria e la miglior scelta in stallo leggero, mentre l’attuazione instazionaria con frequenza ridotta unitaria da le migliori prestazioni (in termini di incremento di portanza) in stallo profondo. L’efficienza degli attuatori a corona multi-punta e un’ordine di grandezza maggiore rispetto ai DBD, grazie a un consumo di potenza elettrica decisamente inferiore.