Чисельне моделювання нестаціонарних потоків холодної плазми при роботі плазмового актуатора
DOI:
https://doi.org/10.15407/knit2021.01.085Ключові слова:
математичне моделювання, плазмовий актуатор, холодна плазма, чисельні методиАнотація
В роботі розглядається чисельне моделювання нестаціонарних потоків холодної плазми. Низькотемпературна нерівноважна ідеальна плазма формується при взаємодії плазмового актуатора з повітряним середовищем. Для опису поведінки низькотемпературної плазми розроблено математичну модель, яка базується на нестаціонарних рівняннях, що описують динаміку заряджених частинок, і рівняннях електродинаміки плазми. В роботі розглядається 14 видів частинок: метастабільні і збуджені атоми азоту і кисню, позитивні і негативні іони, електрони і атомарний кисень. Розглянуто об’ємні та поверхневі хімічні реакції, котрі описують процеси у бар’єрному розряді, що протікають над поверхнею діелектрика. Для нестаціонарних рівнянь динаміки плазми розроблено неявний чисельний алгоритм з підітераціями за псевдочасом, який базується на скінченно-об’ємному підході. Рівняння для електростатичного потенціалу з джерельними членами розв’язувались за допомогою методу мінімізації узагальненої нев’язки з неповним LU-передзумовлюванням. В нестаціонарних рівняннях для щільності частинок плазми апроксимація дрейфових похідних здійснювалася за допомогою схеми TVD з функцією-обмежувачем MinMod. Похідні в рівнянні для електричного потенціалу розраховувалися за допомогою скінченно-об’ємних співвідношень з урахуванням протипотокової апроксимації значень концентрації заряджених частинок плазми. Отримано чисельні результати зародження, розвитку та руйнування стримера при діелектричному бар’єрному розряді. Проаналізовано нестаціонарні характеристики плазми в області над діелектричною поверхнею, включаючи розподіл щільності частинок, електричного потенціалу та складових сили Лоренца. Результати чисельного моделювання нестаціонарних потоків низькотемпературної плазми добре узгоджуються з наявними експериментальними даними.Посилання
Abe T., Takagaki M. (2009). Momentum coupling and flow induction in a DBD plasma actuator. AIAA Paper, No. 1622, 8.
https://doi.org/10.2514/6.2009-4068
Bogdanov E. A., Kolobov V. I., Kudryavtsev A. A., Tsendin L. D. (2002). Scaling laws for oxygen discharge plasmas. Technical Phys., 47(8), 946—954.
https://doi.org/10.1134/1.1501672
Corke T., Jumper E., Post M., Orlov D. (2002). Application of weakly ionized plasmas as wing flow control devices. AIAA Paper, No. 350, 9.
https://doi.org/10.2514/6.2002-350
Enloe C., McLaughlin T., Gregory J., Medina R. (2008). Surface potential and electric field structure in the aerodynamic plasma actuator. AIAA Paper, No. 1103, 11.
https://doi.org/10.2514/6.2008-1103
Enloe C., McLaughlin T., Van Dyken R., Fischer J. (2004). Plasma structure in the aerodynamic plasma actuator. AIAA Paper, No. 844, 8.
https://doi.org/10.2514/6.2004-844
Font G., Enloe C., Newcomb J., Teague A., Vasso A. (2010). Effects of oxygen content on the behavior of the dielectric barrier discharge aerodynamic plasma actuator. AIAA Paper, No. 545, 16.
https://doi.org/10.2514/6.2010-545
Forte M., Jolibois J., Moreau E., Touchard G., Cazalens M. (2006). Optimization of a dielectric barrier discharge actuator by stationary and non-stationary measurements of the induced flow velocity — application to airflow control. AIAA Paper, No. 2863, 9.
https://doi.org/10.2514/6.2006-2863
Hagelaar G. J., Pitchford L. C. (2005). Solving the Boltzmann equation to obtain electron transport coefficients and rate coefficients for fluid models. Plasma Sources Sci. Technol., 44, 6, 722—733.
https://doi.org/10.1088/0963-0252/14/4/011
Kossyi A., Kostinsky A., Matveyev A., Silakov V. (1992). Kinetic scheme of the non-equilibrium discharge in nitrogenoxygen mixtures. Plasma Sources Sci. and Technol. Technical Phys., 1, 3, 207—220.
https://doi.org/10.1088/0963-0252/1/3/011
Nudnova M., Kindusheva S., Aleksandrov N., Starikovskiy A. (2010). Rate of plasma thermalization of pulsed nanosecond surface dielectric barrier discharge. AIAA Paper, No. 465, 15.
