Los actuadores de plasma son un tipo de actuador que se está desarrollando actualmente para el control de flujo aerodinámico . Los actuadores de plasma imparten fuerza de forma similar a la ionocraft . El control de los flujos de plasma ha atraído una atención considerable y se ha utilizado en la aceleración de la capa límite, el control de la separación de la superficie aerodinámica, el control de la separación del cuerpo delantero, el control de la separación de las palas de la turbina, la extensión de la estabilidad del compresor axial, la transferencia de calor y el control del chorro de alta velocidad.
El funcionamiento de estos actuadores se basa en la formación de un plasma de baja temperatura entre un par de electrodos asimétricos mediante la aplicación de una señal de CA de alto voltaje a través de los electrodos. En consecuencia, las moléculas de aire del aire que rodea los electrodos se ionizan y se aceleran a través del campo eléctrico.
Introducción
Los actuadores de plasma que operan en las condiciones atmosféricas son prometedores para el control del flujo, principalmente por sus propiedades físicas, como la fuerza corporal inducida por un campo eléctrico fuerte y la generación de calor durante un arco eléctrico, y la simplicidad de sus construcciones y ubicaciones. En particular, la reciente invención de los actuadores de plasma de descarga luminiscente de Roth (2003) [1] que pueden producir cantidades suficientes de plasma de descarga luminiscente en el aire a presión de la atmósfera ayuda a aumentar el rendimiento del control de flujo.
Disposición de la fuente de alimentación y los electrodos
Se puede utilizar una fuente de alimentación de corriente continua (CC) o de corriente alterna (CA) o una microdescarga de microondas para diferentes configuraciones de actuadores de plasma. [2] Aquí se da como ejemplo un esquema de un diseño de fuente de alimentación de CA para un actuador de plasma de descarga de barrera dieléctrica . El rendimiento de los actuadores de plasma está determinado por materiales dieléctricos y entradas de energía, más tarde está limitado por las cualidades de MOSFET o IGBT .
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Las formas de onda de conducción se pueden optimizar para lograr una mejor actuación (velocidad de flujo inducida). Sin embargo, una forma de onda sinusoidal puede ser preferible por la simplicidad en la construcción de la fuente de alimentación. El beneficio adicional es la interferencia electromagnética relativamente menor . Se puede adoptar modulación de ancho de pulso para ajustar instantáneamente la fuerza de actuación. [3]
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Se ha demostrado que la manipulación del electrodo encapsulado y la distribución del electrodo encapsulado por toda la capa dieléctrica alteran el rendimiento del actuador de plasma de descarga de barrera dieléctrica (DBD). La ubicación del electrodo encapsulado inicial más cerca de la superficie dieléctrica da como resultado velocidades inducidas más altas que el caso de línea de base para un voltaje dado. Además, los actuadores con un electrodo inicial poco profundo pueden impartir impulso y potencia mecánica al flujo de manera más eficiente. [4]
No importa cuántos fondos se hayan invertido y el número de varios reclamos privados de una alta velocidad inducida, la velocidad media máxima inducida por los actuadores de plasma en una convicción de presión atmosférica, sin ningún asistente de amplificador mecánico (cámara, cavidad, etc.), sigue siendo inferior a 10 m / s. [5]
Influencia de la temperatura
La temperatura de la superficie juega un papel importante en la limitación de la utilidad de un actuador de plasma de descarga de barrera dieléctrica. El empuje producido por un actuador en aire en reposo aumenta con una ley de potencia del voltaje aplicado. Para voltajes mayores que un umbral, el exponente de la ley de potencia se reduce limitando el aumento de empuje, y se dice que el actuador se ha "saturado", lo que limita el rendimiento del actuador. El inicio de la saturación puede correlacionarse visualmente con el inicio de eventos de descarga filamentosa. El efecto de saturación se puede manipular cambiando la temperatura de la superficie local del dieléctrico. [6] Además, cuando se trata de aviones de la vida real equipados con actuadores de plasma, es importante considerar el efecto de la temperatura. Las variaciones de temperatura encontradas durante una envolvente de vuelo pueden tener efectos adversos en el rendimiento del actuador. Se encuentra que para un voltaje pico a pico constante, la velocidad máxima producida por el actuador depende directamente de la temperatura de la superficie dieléctrica. Los hallazgos sugieren que al cambiar la temperatura del actuador, el rendimiento se puede mantener o incluso alterar en diferentes condiciones ambientales. El aumento de la temperatura de la superficie dieléctrica puede aumentar el rendimiento del actuador de plasma al aumentar el flujo de impulso mientras se consume una energía ligeramente mayor. [7]
Aplicaciones de control de flujo
Algunas aplicaciones recientes de la activación por plasma incluyen el control de flujo de alta velocidad mediante actuadores de plasma de filamento de arco localizados, [8] y el control de flujo de baja velocidad mediante descargas de barrera dieléctrica para separación de flujo y control de estela 3D [9] y control de sonido [10] y deslizamiento descargas. [11] La presente investigación de actuadores de plasma se centra principalmente en tres direcciones: (1) varios diseños de actuadores de plasma; (2) aplicaciones de control de flujo; y (3) modelado orientado al control de aplicaciones de flujo bajo actuación de plasma. Además, se están desarrollando nuevos métodos experimentales y numéricos [12] para proporcionar conocimientos físicos.
Generador de vórtice
Un actuador de plasma induce una perturbación de la velocidad de flujo local, que se desarrollará aguas abajo a una hoja de vórtice. Como resultado, los actuadores de plasma pueden comportarse como generadores de vórtices . La diferencia entre esta y la generación de vórtices tradicional es que no hay partes mecánicas móviles ni agujeros de perforación en superficies aerodinámicas, lo que demuestra un beneficio importante de los actuadores de plasma. Los actuadores tridimensionales, como el actuador de plasma de geometría serpentina, generan vórtices orientados a la corriente, [13] que son útiles para controlar el flujo. [14]
Control de ruido activo
El control de ruido activo normalmente denota cancelación de ruido, es decir, un altavoz con cancelación de ruido emite una onda de sonido con la misma amplitud pero con fase invertida (también conocida como antifase) al sonido original. Sin embargo, el control activo del ruido con plasma adopta diferentes estrategias. El primero utiliza el descubrimiento de que la presión del sonido podría atenuarse cuando atraviesa una lámina de plasma . El segundo, y más ampliamente utilizado, es suprimir activamente el campo de flujo responsable del ruido inducido por el flujo (también conocido como aeroacústica ), utilizando actuadores de plasma. Se ha demostrado que tanto el ruido tonal [5] como el ruido de banda ancha [10] (la diferencia puede referirse al tono frente a la banda ancha ) pueden atenuarse activamente mediante un actuador de plasma cuidadosamente diseñado.
Control de flujo supersónico e hipersónico
El plasma se ha introducido en el control de flujo hipersónico. [15] [16] En primer lugar, el plasma podría generarse mucho más fácilmente para un vehículo hipersónico a gran altitud con una presión atmosférica bastante baja y una temperatura superficial alta. En segundo lugar, la superficie aerodinámica clásica tiene poca actuación para el caso.
El interés en los actuadores de plasma como dispositivos de control de flujo activo está creciendo rápidamente debido a su falta de partes mecánicas, peso ligero y alta frecuencia de respuesta. Se examinan las características de un actuador de plasma de descarga de barrera dieléctrica (DBD) cuando se expone a un flujo inestable generado por un tubo de choque . Un estudio muestra que no solo la capa de cizallamiento fuera del tubo de choque se ve afectada por el plasma, sino que el paso del frente de choque y el flujo de alta velocidad detrás de él también influye en gran medida en las propiedades del plasma [17].
Control de vuelo
Los actuadores de plasma podrían montarse en la superficie aerodinámica para controlar la actitud de vuelo y, posteriormente, la trayectoria de vuelo. De este modo se pueden ahorrar los engorrosos esfuerzos de diseño y mantenimiento de los sistemas de transmisión mecánica e hidráulica en un timón clásico. El precio a pagar es que se debe diseñar un sistema eléctrico de alta tensión / potencia adecuado que satisfaga la regla EMC. Por lo tanto, además del control de flujo, los actuadores de plasma tienen potencial en el control de vuelo de alto nivel, en particular para las investigaciones de UAV y planetas extraterrestres (con condiciones atmosféricas adecuadas).
Por otro lado, toda la estrategia de control de vuelo debería reconsiderarse teniendo en cuenta las características de los actuadores de plasma. En la figura se muestra un sistema de control de rodillo preliminar con actuadores de plasma DBD. [18]
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Se puede ver que los actuadores de plasma se despliegan a ambos lados de un perfil aerodinámico. El control de balanceo se puede controlar activando los actuadores de plasma de acuerdo con la retroalimentación del ángulo de balanceo. Después de estudiar varias metodologías de control de retroalimentación, se eligió el método de control bang-bang para diseñar el sistema de control de rodillos basado en actuadores de plasma. La razón es que el control bang-bang es óptimo en el tiempo e insensible a las actuaciones del plasma, que varían rápidamente en las diferentes condiciones atmosféricas y eléctricas.
Transferencia de calor
La transferencia de calor activada por plasma (o transferencia de calor asistida por plasma) es un método de enfriamiento de superficies calientes asistido por un acelerador de fluido electrostático (EFA) como un actuador de plasma de descarga de barrera dieléctrica (DBD) o un actuador de plasma de descarga de corona . La transferencia de calor activada por plasma es una de las aplicaciones propuestas de los actuadores de plasma EFA. [19] [20]
Enfriamiento forzado
Todos los dispositivos electrónicos generan un exceso de calor que debe eliminarse para evitar un fallo prematuro del dispositivo. Dado que el calentamiento se produce en el dispositivo, un método común de gestión térmica para la electrónica es generar un flujo masivo (por ejemplo, mediante ventiladores externos) que pone el aire ambiente más frío en contacto con el dispositivo caliente. Se produce una transferencia neta de calor entre los componentes electrónicos más calientes y el aire más frío, lo que reduce la temperatura media de los componentes electrónicos. En la transferencia de calor accionada por plasma, los actuadores de plasma de EFA generan un flujo secundario al flujo a granel, provocan una aceleración del fluido local cerca del actuador de plasma y, en última instancia, pueden adelgazar la capa límite térmica y de velocidad cerca de la electrónica. [21] [22] El resultado es que el aire más frío se acerca a la electrónica caliente, mejorando la refrigeración por aire forzado. La transferencia de calor activada por plasma se puede utilizar como una solución de gestión térmica para dispositivos móviles, portátiles, ordenadores ultramóviles y otros dispositivos electrónicos o en otras aplicaciones que utilizan configuraciones similares de refrigeración por aire forzado. [23] [24]
Enfriamiento de película
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En aplicaciones de ingeniería que experimentan entornos de temperatura significativamente alta, como los que se encuentran en las palas de las turbinas de gas , las estructuras calientes deben enfriarse para mitigar las tensiones térmicas y las fallas estructurales. En esas aplicaciones, una de las técnicas más comunes que se utilizan es el enfriamiento por película en el que se introduce un fluido secundario, como aire u otro refrigerante, en una superficie en un entorno de alta temperatura. El fluido secundario proporciona una capa (o película) aislante más fría a lo largo de la superficie que actúa como un disipador de calor, reduciendo la temperatura media en la capa límite . [25] Dado que el fluido secundario se inyecta en la superficie en orificios discretos en la superficie, una parte del fluido secundario se expulsa de la superficie (especialmente en altas relaciones de impulso del aire inyectado con el flujo cruzado), lo que disminuye la efectividad de la película. proceso de enfriamiento. [25] En la transferencia de calor accionada por plasma, los actuadores de plasma EFA se utilizan para controlar el fluido secundario mediante una fuerza dinámica que promueve la unión del fluido secundario a la superficie caliente y mejora la eficacia del enfriamiento de la película. [19] [26] [27] [28]
Modelado
Se han propuesto varios modelos numéricos para simular actuaciones de plasma en el control de flujo. Se enumeran a continuación según el costo computacional, desde el más caro al más barato.
- Método de monte carlo más partícula en celda ;
- Modelado de electricidad junto con ecuaciones de Navier-Stokes ; [29]
- Modelo de elementos agrupados junto con ecuaciones de Navier-Stokes [30]
- Modelo sustituto para simular la actuación del plasma. [31] [12] [32]
El potencial más importante de los actuadores de plasma es su capacidad para unir fluidos y electricidad. Un moderno sistema de control de circuito cerrado y los siguientes métodos teóricos de información se pueden aplicar a las ciencias aerodinámicas relativamente clásicas. Se ha propuesto un modelo orientado al control para la actuación del plasma en el control de flujo para un caso de control de flujo de cavidad. [33]
Ver también
- Propulsor de iones
- Actuador de plasma de geometría serpentina
- Vehículo aéreo electromagnético sin alas
- Descarga de barrera dieléctrica
- Lista de artículos sobre plasma (física)
Referencias
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