Analysis and development of numerical methodologies for simulation of flow control with dielectric barrier discharge actuators

The aim of this thesis is to investigate and develop different numerical methodologies for modeling the Dielectric Barrier discharge (DBD) plasma actuators for flow control purposes. Two different modeling approaches were considered; one based on Plasma-fluid model and the other based on a phenomenological model. A three component Plasma fluid model based on the transport equations of charged particles was implemented in this thesis in OpenFOAM, using several techniques to reduce the numerical issues. The coupled plasma-fluid problem involves wide range of length and time scales which make the numerical simulation difficult. Therefore, to obtain stable and accurate results in a reasonable computational run time, several numerical procedures were implemented including: semi-implicit treatment of coupling of Poisson equation and charge density equation, super-time-stepping and operator splitting algorithm. We examined our code for a constant positive voltage, testing for the dependency of the behavior of the current density to the selected numerical scheme. In addition, although there is no clear numerical or experimental benchmark case for DBD plasma actuator problem, the developed plasma solver was compared quantitively and qualitively with several numerical works in the literature. Afterward, the developed numerical methodology was used to explore the possibility of influencing the flow, with higher speed, using nano-second (NS) pulsed DBD plasma actuator. Therefore, the interaction of the transonic flow and actuation effects of DBD plasma actuator with nano second pulsed voltage was simulated. The effect of gas heating and body force was calculated by the plasma solver and was supplied into the gas dynamic solver for simulating the flow field. Moreover, the results of the plasma fluid model were used to develop an energy deposition model. It was shown that the energy deposition model is able to capture the main features of the effect of NS DBD plasma actuators correctly, with less computational time. It was also shown that fast energy transfer, from plasma to fluid, leads to the formation of micro-shock waves that modify locally the features of the transonic flow. Although the numerical efficiency of the plasma fluid model was improved, the computational cost of simulating the effect of DBD plasma actuator on a real scale flow situation was still high. Therefore, a simple model for plasma discharge and its effect on the flow was developed based on scaling of the thrust generated by DBD plasma actuators. The scaled thrust model correctly predicts the nonlinear dependency of the thrust produced and the applied voltage. These scales were then introduced into a simple phenomenological model to estimate and simulate the body force distribution generated by the plasma actuator. Although the model includes some experimental correlations, it does not need any fitting parameter. The model was validated with experimental results and showed better accuracy compared to previous plasma models. Using a simple phenomenological model that was developed here, a numerical study was conducted to investigate and compare the effect of steady and unsteady actuation for controlling the flow at relatively high Reynolds number. Firstly it was shown that the size of the time-averaged separation bubble is greatly reduced and the flow structure is sensitive to the frequency of burst modulation of DBD plasma actuators. The results also confirmed that in the case of unsteady actuation, the burst frequency and burst ratio are crucial parameters for influencing the capability of the actuators to control the flow. It was found that burst frequencies near the natural frequencies of the system were able to excite the flow structure in a resonance mode. This observation also confirmed that with proper frequencies of excitation, the flow structure can be well rearranged and the flow losses can be reduced. In the end, Plasma actuators were used for controlling the flow over the Coanda surface of the ACHEON nozzle. When the plasma actuator was used, it was possible to postpone separation of the flow and increase the deflection angle of the exit jet of the nozzle. To find the optimum position of the actuators, seven DBD actuators in forward forcing mode were placed over the Coanda surface considering the numerically obtained separation points. Results show that when the actuator is placed slightly before the separation point, enhanced thrust vectorizing with the use of DBD actuator is achievable. Preliminary results of the experiments agree with planned/foreseen deflection angle obtained from numerical computation.O objetivo deste trabalho visa a investigação e desenvolvimento de diferentes métodos numéricos para modelação de actuadores a plasma de Descarga em Barreira Dieléctrica, (DBD), tendo em vista o controlo do escoamento na camada limite. Esta modelação numérica foi abordada de duas formas diferentes, uma baseada num modelo de “plasma-fluid” e outra fundamentada num modelo fenomenológico. Neste trabalho é usado um modelo “plasma-fluid” de três componentes que é baseado numa equação de transporte para as partículas electricamente carregadas. Este foi implementado no software OpenFOAM fazendo uso de diversas técnicas para minimização de problemas numéricos que ocorriam na resolução das equações. O cálculo de um problema com acoplamento entre plasma e fluido envolve uma gama diversa de escalas, tanto temporais como dimensionais, trata-se então de uma simulação numérica delicada. Como tal, e por forma a obter resultados estáveis e precisos num tempo de cálculo considerado razoável, foram implementados diversos procedimentos numéricos, tais como o tratamento semiimplícito do acoplamento da equação de Poisson com a equação da densidade de carga, o super-passo-tempo e ainda um algoritmo do tipo divisão de operador. Foi considerado o caso de uma diferença de potencial positiva, constante, e testada a dependência da densidade de corrente com os diferentes esquemas numéricos. Apesar de não existir atualmente uma base de dados, de tipo numérica ou experimental, com casos de teste para actuadores a plasma tipo DBD, o modelo computacional desenvolvido para calcular o plasma foi validado qualitativamente, bem como quantitativamente, usando os vários trabalhos numéricos disponíveis na literatura. Após esta validação inicial, a metodologia numérica desenvolvida foi utilizada para explorar a possibilidade de influenciar um escoamento de maior velocidade, através de actuadores a plasma tipo DBD com impulsos de tensão da ordem de nano-segundos (NS). Desta forma foi simulada a interacção entre um escoamento transónico e o efeito dos actuadores a plasma tipo DBD sobre o escoamento, usando pulsos de nano-segundos. O efeito térmico do gás, assim como a força resultante, foram calculados usando o modelo numérico para cálculo de plasmas desenvolvido neste trabalho. O resultado obtido é acoplado ao modelo de cálculo para a dinâmica de gases, o que torna possível simular as condições do escoamento resultante. Adicionalmente, os resultados do modelo de “plasma-fluid” foram reaproveitados para desenvolver um modelo de deposição de energia. Este demonstrou ter a capacidade de capturar correctamente as características principais do efeito de actuadores de plasma, de tipo NS-DBD, com um tempo de computação menor. Foi demonstrada que uma rápida transferência de energia, do plasma para o fluido, leva à formação de micro-ondas de choque que alteram localmente as características do escoamento transónico. Apesar da eficiência numérica do modelo de “plasma-fluid” ter sido melhorada, o seu custo computacional para a simulação de actuadores a plasma tipo DBD à escala real continua bastante elevado. Neste sentido, a partir de uma escala de propulsão gerada pelo actuador plasma DBD, foi desenvolvido um modelo mais simples para a descarga do plasma e para determinar os seus efeitos sobre o escoamento. O modelo inicial previa correctamente uma dependência não-linear entre a força propulsiva gerada e a diferença de potencial aplicada. Estas escalas foram então introduzidas num modelo fenomenológico mais simples para estimar, e simular, a distribuição de forças geradas pelo actuador a plasma. Apesar de o modelo incluir algumas correlações experimentais, este não requer qualquer parâmetro de afinação. O modelo foi validado com resultados experimentais, demonstrando melhores resultados quando comparado com outros modelos de plasma . Utilizando um modelo fenomenológico simplificado, que foi desenvolvido no presente trabalho, foi feito um estudo numérico com o objetivo de investigar, e comparar, os efeitos que uma actuação estacionária e não-estacionária exibe sobre o controlo do escoamento a números de Reynolds relativamente elevados. Foi demostrado que a dimensão da bolha de separação é reduzida em muito e que a estrutura do escoamento é sensível à frequência da modulação “burst” do actuador a plasma tipo DBD. Os resultados também confirmaram que, para o caso de actuação não-estacionária, a frequência de “burst” e o “burst ratio”, são parâmetros cruciais para influenciar a capacidade de controlo do escoamento por parte dos actuadores a plasma. Determinou-se que as frequências “burst”, semelhantes às frequências naturais do sistema, são capazes de excitar as estruturas do escoamento num modo de ressonância. Esta observação confirma igualmente que, com frequências de excitação apropriadas, a estrutura de um escoamento de camada limite consegue ser correctamente modificada, e que as perdas no escoamento são reduzidas. Por fim, os actuadores a plasma foram utilizados para o controlo do escoamento sobre uma superfície Coanda de uma tubeira. Quando nesta foi aplicado um plasma, tornou-se possível retardar a separação do escoamento e aumentar o ângulo de deflexão do jacto gerado pelo propulsor. Por forma a encontrar a posição óptima para os actuadores, sete actuadores de tipo DBD foram distribuídos ao longo da superfície Coanda, tendo em consideração os pontos de separação do escoamento na camada limite obtidos numericamente. Os resultados mostram que quando o actuador DBD é colocado ligeiramente antes do ponto de separação do escoamento, há um aumento da capacidade de controlo e vectorização do jacto gerado. Os resultados preliminares das experiências efectuadas estão de acordo com o ângulo de deflexão do jacto previsto pelo modelo computacional

VISUALIZATION AND CHARACTERIZATION OF ULTRASONIC CAVITATING ATOMIZER AND OTHER AUTOMOTIVE PAINT SPRAYERS USING INFRARED THERMOGRAPHY

The disintegration of a liquid jet emerging from a nozzle has been under investigation for several decades. A direct consequence of the liquid jet disintegration process is droplet formation. The breakup of a liquid jet into discrete droplets can be brought about by the use of a diverse forcing mechanism. Cavitation has been thought to assist the atomization process. Previous experimental studies, however, have dealt with cavitation as a secondary phenomenon assisting the primary atomization mechanism. In this dissertation, the role of the energy created by the collapse of cavitation bubbles, together with the liquid pressure perturbation is explicitly configured as a principal mechanism for the disintegration of the liquid jet. A prototype of an atomizer that uses this concept as a primary atomization mechanism was developed and experimentally tested using water as working fluid. The atomizer fabrication process and the experimental characterization results are presented. The parameters tested include liquid injection pressure, ultrasonic horn tip frequency, and the liquid flow rate. The experimental results obtained demonstrate improvement in the atomization of water. To fully characterize the new atomizer, a novel infrared thermography-based technique for the characterization and visualization of liquid sprays was developed. The technique was tested on the new atomizer and two automotive paint applicators. The technique uses an infrared thermography-based measurement in which a uniformly heated background acts as a thermal radiation source, and an infrared camera as the receiver. The infrared energy emitted by the source in traveling through the spray is attenuated by the presence of the droplets. The infrared intensity is captured by the receiver showing the attenuation in the image as a result of the presence of the spray. The captured thermal image is used to study detailed macroscopic features of the spray flow field and the evolution of the droplets as they are transferred from the applicator to the target surface. In addition, the thermal image is post-processed using theoretical and empirical equations to extract information from which the liquid volume fraction and number density within the spray are estimated

George C. Marshall Space Flight Center Research and Technology Report 2014

Many of NASA's missions would not be possible if it were not for the investments made in research advancements and technology development efforts. The technologies developed at Marshall Space Flight Center contribute to NASA's strategic array of missions through technology development and accomplishments. The scientists, researchers, and technologists of Marshall Space Flight Center who are working these enabling technology efforts are facilitating NASA's ability to fulfill the ambitious goals of innovation, exploration, and discovery