DBD(Dielectric Barrier Discharge) 플라즈마액츄에이터의 설계 파라미터에 따른 특성을 연구하였다. 방전전압, 주파수, 전극의 간격, 폭, 길이, 유전체 두께에 따른 DBD 플라즈마 액츄에이터의 유속 및 소모전력을 측정하였다. 방전전압과 주파수가 클수록 유속과 소모전력은 증가하였다. 전극간격은 클수록 소모전력은 감소하면서 유속은 증가하였으나, 플라즈마 방전을 위해 높은 전압이 요구되었다. 상부전극폭은 좁을수록, 하부전극폭은 넓을수록 일정한 소모전력으로 유속을 증가시킬 수 있었다. 주어진 방전조건과 전극형상에서 DBD 플라즈마 액츄에이터의 성능을 예측할 수 있을 것으로 기대된다.
DBD(Dielectric Barrier Discharge) 플라즈마 액츄에이터의 설계 파라미터에 따른 특성을 연구하였다. 방전전압, 주파수, 전극의 간격, 폭, 길이, 유전체 두께에 따른 DBD 플라즈마 액츄에이터의 유속 및 소모전력을 측정하였다. 방전전압과 주파수가 클수록 유속과 소모전력은 증가하였다. 전극간격은 클수록 소모전력은 감소하면서 유속은 증가하였으나, 플라즈마 방전을 위해 높은 전압이 요구되었다. 상부전극폭은 좁을수록, 하부전극폭은 넓을수록 일정한 소모전력으로 유속을 증가시킬 수 있었다. 주어진 방전조건과 전극형상에서 DBD 플라즈마 액츄에이터의 성능을 예측할 수 있을 것으로 기대된다.
Characteristics of DBD(Dielectric Barrier Discharge) plasma actuator as design parameters were investigated for plasma flow control. Flow velocity and power consumption of the DBD plasma actuator were measured according to the design parameters such as discharge voltage and frequency, gap, width and...
Characteristics of DBD(Dielectric Barrier Discharge) plasma actuator as design parameters were investigated for plasma flow control. Flow velocity and power consumption of the DBD plasma actuator were measured according to the design parameters such as discharge voltage and frequency, gap, width and length of electrode, and the thickness of dielectric barrier. The flow velocity and power consumption increased as the discharge voltage and frequency increased. As the electrode gap increased, the flow velocity increased with decreasing the power consumption, whereas high voltage was required for the plasma discharge. The flow velocity increased as the upper-electrode width decreased, and as the lower-electrode width increased at the constant power consumption. The performance of the DBD plasma actuator can be estimated at the given discharge and geometry conditions.
Characteristics of DBD(Dielectric Barrier Discharge) plasma actuator as design parameters were investigated for plasma flow control. Flow velocity and power consumption of the DBD plasma actuator were measured according to the design parameters such as discharge voltage and frequency, gap, width and length of electrode, and the thickness of dielectric barrier. The flow velocity and power consumption increased as the discharge voltage and frequency increased. As the electrode gap increased, the flow velocity increased with decreasing the power consumption, whereas high voltage was required for the plasma discharge. The flow velocity increased as the upper-electrode width decreased, and as the lower-electrode width increased at the constant power consumption. The performance of the DBD plasma actuator can be estimated at the given discharge and geometry conditions.
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문제 정의
DBD 플라즈마 유동제어 성능은 DBD 액츄에이터의 형상적인 설계변수와 방전조건에 큰 영향을 받는 것으로 알려져 있으나, 이에 대한 설계 파라미터 연구가 부족하여 유동제어 성능을 예측하기 어렵다. 따라서 본 연구에서는 DBD 액츄에이터에 대한 설계 파라미터를 분석하고 성능시험을 수행하였다.
제안 방법
플라즈마 발생을 위해 고전압증폭기(Trek 20/20C)를 사용하였으며, 전압, 주파수, 파형은 함수발생기(Agilent 33220A)를 통해 제어하였다. DBD 액츄에이터의 방전전압과 전류측정을 위한 센서를 장착하였고, 오실로스코프(LeCory)를 통해 측정하였다.
동일한 전극형상에서 방전조건에 따른 DBD 액츄에이터의 성능시험을 수행하였다. Fig.
유속을 더욱 증가시키기 위해서는 높은 방전전압 에서 역방전이 발생되지 않도록 전극간격을 증가 시킬 필요가 있다. 따라서 본 실험에서는 1mm의 전극간격에서 실험을 수행하였다. 이때 방전에 필요한 최소전압은 6kV였다.
외부유동에 의한 영향을 최소화하기 위해 아크릴박스 내부에 DBD 액츄에이터를 장착하였으며, 열선 풍속계(IHW-100)를 이용하여 유속을 측정 하였다. 열선 탐침의 이동을 위해 2축 이송장치를 이용하였고, x-y축에 따른 유속 프로파일을 측정하였다. 플라즈마가 탐침으로 방전되는 것을 방지하기 위해 DBD 액츄에이터 후방(x축) 10mm 이후에서 유속을 측정하였고, DBD 액츄에이터 바닥면(y=0mm)을 기준으로 수직방향(y축) 5mm까지 유속을 측정하였다.
3과 같이 DBD 액츄에이터의 설계 파라미터 분석을 위한 성능시험 장치를 구성하였다. 외부유동에 의한 영향을 최소화하기 위해 아크릴박스 내부에 DBD 액츄에이터를 장착하였으며, 열선 풍속계(IHW-100)를 이용하여 유속을 측정 하였다. 열선 탐침의 이동을 위해 2축 이송장치를 이용하였고, x-y축에 따른 유속 프로파일을 측정하였다.
DBD 액츄에이터의 성능은 방전전압, 전원종류 (DC 혹은 AC), 전압파형, 주파수와 같은 방전조건과 전극간격, 전극크기, 유전체 두께와 같은 전극형상에 크게 의존한다. 전극형상에 따른 성능 시험을 위해 Fig. 2와 같은 DBD 액츄에이터를 설계하였고, Table 1에 전극형상변수를 나타내었다. Table 2에는 DBD 액츄에이터 성능시험을 위한 방전조건을 나타내었다.
플라즈마 발생을 위해 고전압증폭기(Trek 20/20C)를 사용하였으며, 전압, 주파수, 파형은 함수발생기(Agilent 33220A)를 통해 제어하였다. DBD 액츄에이터의 방전전압과 전류측정을 위한 센서를 장착하였고, 오실로스코프(LeCory)를 통해 측정하였다.
플라즈마 유동제어를 통한 공기저항저감을 위해 DBD 플라즈마 액츄에이터의 설계 파라미터를 분석하고, 방전조건과 전극형상변수에 따른 DBD 플라즈마 액츄에이터의 성능평가를 수행하였다. 본 연구를 통해 다음과 같은 결론을 도출하였다.
열선 탐침의 이동을 위해 2축 이송장치를 이용하였고, x-y축에 따른 유속 프로파일을 측정하였다. 플라즈마가 탐침으로 방전되는 것을 방지하기 위해 DBD 액츄에이터 후방(x축) 10mm 이후에서 유속을 측정하였고, DBD 액츄에이터 바닥면(y=0mm)을 기준으로 수직방향(y축) 5mm까지 유속을 측정하였다. 유속은 5회 반복 측정된 값을 평균하여 제시하였다.
대상 데이터
본 연구에서는 전극으로 80μm 두께의 구리 테이프를 사용하였고, 유전체로는 아크릴을 사용하였다.
데이터처리
플라즈마가 탐침으로 방전되는 것을 방지하기 위해 DBD 액츄에이터 후방(x축) 10mm 이후에서 유속을 측정하였고, DBD 액츄에이터 바닥면(y=0mm)을 기준으로 수직방향(y축) 5mm까지 유속을 측정하였다. 유속은 5회 반복 측정된 값을 평균하여 제시하였다.
성능/효과
(1) g=1mm 조건에서 방전전압과 주파수가 클수록 방전에너지가 커지므로 유속이 증가 하였다. 반면 소모전력도 함께 증가한다.
(2) 전극간격은 클수록(1<g<5mm) 낮은 소모전력으로 유속을 증가시킬 수 있었으나, 높은 방전전압이 요구된다.
(3) 상부전극폭(1<w1<10mm)은 좁을수록 전자가 강하게 방출되면서 유속은 증가한다.
방전전압이 높을수록 유속은 지수함수로 증가함을 알 수 있으며, 15kV에서 유속은 3.9m/s였다. 방전전압이 증가할수록 전극사이에 전자의 이동이 많아지면서 가스와의 충돌이 증가하여 모멘텀이 커지기 때문에 유속이 증가하게 되며, 전류도 증가하기 때문에 소모전력 또한 증가하여, 최대유속이 발생되는 15kV에서 소모전력은 21.
방전전압이 증가할수록 방전강도가 커지면서 유속이 증가하지만, 5.5kV에서 최대 유속을 보였으며, 그 이상의 전압에서는 더 이상 유속이 증가되지 않았다. 더 높은 방전전압에서는 하부전 극에서 상부전극으로의 역방전으로 인해 모멘텀손실을 초래하기 때문으로 판단되다.
위 실험결과로부터 DBD 액츄에이터의 성능은 방전조건과 전극형상에 크게 영향을 받음을 알 수 있었다. 최적의 DBD 액츄에이터를 설계하기 위해서는 정해진 전압에서 방전이 가능한 전극간 격을 결정하고 소모전력을 최소화할 수 있는 전극형상을 결정하는 것이 바람직할 것으로 판단된다.
4는 방전전압 및 주파수에 따른 DBD 액츄에이터의 y 축 방향 유속 프로파일을 보여주고 있다. 유속 프로파일을 보면 모든 방전전압 및 주파수 조건에서 바닥면 근처(y=1~1.5mm)에서 가장 유속이 빠르며 상부로 갈수록 유속이 낮았다. 이는 기존문헌[2]과 동일한 결과이며, 유동해석 결과와도 일치하였다[9].
후속연구
<110mm)와 유속과의 상관관계는 없었으며, 전극길이가 길수록 방전량이 증가하므로 소모전력은 증가한다. 도출된 DBD 플라즈마 액츄에이터의 설계 파라미터 연구결과는 공기저항저감을 위한 플라즈마 유동제어 시스템을 설계하기 위한 기본 데이터로 활용될 수 있을 것으로 판단된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
플라즈마를 제 4의 상태라고 부르고 있는 이유는?
플라즈마는 국부적으로 전기적인 극성을 갖는 이온화된 기체가 존재하는 상태를 말하며, 고체, 액체, 기체 상태와 구분되기 때문에 플라즈마를 제 4의 상태라고 부르고 있다. 자연현상에서 관찰되는 플라즈마는 번개, 오로라, 태양 등이 있으며, 인공적인 방법으로는 방전(Discharge)을 통해 플라즈마를 발생시킬 수 있다.
플라즈마는 무엇인가?
플라즈마는 국부적으로 전기적인 극성을 갖는 이온화된 기체가 존재하는 상태를 말하며, 고체, 액체, 기체 상태와 구분되기 때문에 플라즈마를 제 4의 상태라고 부르고 있다. 자연현상에서 관찰되는 플라즈마는 번개, 오로라, 태양 등이 있으며, 인공적인 방법으로는 방전(Discharge)을 통해 플라즈마를 발생시킬 수 있다.
DBD 액츄에이터의 장점을 이용하여 어떠한 연구가 진행되고 있나?
기존 능동유동제어방식에 비해 DBD 액츄에이터는 상온, 상압에서 발생되는 글로우 방전을 사용하여 소모동력이 작고, 구동부가 없어 수명이 길고, 유지보수가 편리하며, 높은 동적특성을 가지고, 장착성이 용이하며, 컴팩트한 장점이 있다 [8]. 이러한 장점 때문에 선박, 철도, 항공기 등의 연료절감을 위한 공기저항저감 방안으로 활발히 연구되고 있다.
참고문헌 (9)
E. Moreau, "Airflow control by nonthermal plasma actuators," J. Phys. D: Appl. Phys., Vol. 40. 2007, pp. 605-636.
J. Pons, E. Moreau and G. Touchard, "Asymmetric surface dielectric barrier discharge in air at atmospheric pressure: electrical properties and induced airflow characteristics," J. Phys. D: Appl. Phys., Vol. 38, 2005, pp. 3635-3642.
H. Velkoff and J. Ketchman, "Effect of an electrostatic field on boundary layer transition," AIAA J., Vol. 16, 1968, pp. 1381-3.
F.O. Thomas, A. Kozlov and T.C. Corke, "Plasma actuators for bluff body flow control," AIAA Meeting (San Francisco, USA, June 2006), paper #2006-2845.
J.R. Roth, "Aerodynamic flow acceleration using paraelectric and peristaltic electrohydrodynamic effects of a One Atmosphere Uniform Glow Discharge Plasma," Phys. Plasmas, Vol. 10, 2003, pp. 2117-2126.
Thomas C. Corke, Flint O. Thomas, and Junhui Huang, "Documentation and Control of Flow Separation on a Low Pressure Turbine Linear Cascade of Pak-B Blades Using Plasma Actuators," NASA Technical Report, NASA/CR-2007-214677.
C. Kwing-So, T. Jukes and R. Whalley, "Turbulent boundary-layer control with plasma actuators," Phil. Trans. R. Soc. A, Vol. 369, 2011, pp. 1443-1458.
C. Young-Chang and S. Wei, "Adaptive flow control of low-Reynolds number aerodynamics using dielectric barrier discharge actuator," Progress in Aerospace Sciences, Vol. 47, 2011, pp. 495-521.
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