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문제 정의
- 본 연구에서는 DBD 플라즈마 액추에이터의 성능에 영향을 미치는 변수에 대해 실험적으로 평가하고자 하였다. 특히 액추에이터 전극의 재질, 두께 등 기본적인 변수를 포함하여 공급 전압의 세기 및 주파수 변화에 따른 성능 특성을 고찰하였다.
- 성능 측정은 플라즈마 액추에이터에 의해 생성된 유동의 속도를 측정하는 방법으로 이루어졌다. 이 연구를 통해 기본적인 DBD 플라즈마 액추에이터의 특성과 앞으로의 DBD 플라즈마 액추에이터 성능 최적화 연구를 위한 기초적인 자료들을 얻을 수 있었다.
- 이번 연구는 가장 기초적인 DBD 플라즈마 액추에이터 연구로 주변 유동이 없는 곳에서 평판에 설치된 DBD 플라즈마 액추에이터의 여러 가지 변수와 성능과의 상관관계에 대해 실험적으로 연구하였다. 전극의 종류와 두께, 공급 전압 주파수를 변화시켜가며 플라즈마 액추에이터의 성능을 측정하였다.
제안 방법
- 6 mm이다. Stagnation probe는 Micro manometer와 연결하여 압력을 측정하고 이를 통해 속도로 환산하였다. 실험에 사용된 Micro manometer(Furness사의 FCO12)는 ±19.
- 01 mm 두께의 알루미늄에 대한 실험 결과와 유사한 지점에서 최대 유속이 측정되었다. 따라서 노출 전극에서 x축으로 8 mm 떨어진 지점에서 전극의 종류와 두께, 공급 전원을 바꾸어가며 표면에서 y축 방향으로 이동하며 유속을 측정하여 속도 분포를 측정하여 비교하였다.
- 모든 플라즈마 액추에이터 실험은 주변 장치의 영향과 대기의 흐름을 최소화하고 안전을 확보하기 위해서 350 mm x 350 mm x 600 mm x 15 mm(W x H x L x T)의 아크릴 케이스 안에서 수행되었다.
- 전극의 종류와 두께, 공급 전압 주파수를 변화시켜가며 플라즈마 액추에이터의 성능을 측정하였다. 성능 측정은 플라즈마 액추에이터에 의해 생성된 유동의 속도를 측정하는 방법으로 이루어졌다. 이 연구를 통해 기본적인 DBD 플라즈마 액추에이터의 특성과 앞으로의 DBD 플라즈마 액추에이터 성능 최적화 연구를 위한 기초적인 자료들을 얻을 수 있었다.
- 우선 한 가지 전극 / 전원 상태(Al 0.01 mm / 15 kV)에서 플라즈마 액추에이터 인근 유동장의 속도분포를 측정하였다. Fig.
- 2는 전압력 프로브(stagnation probe)를 이용하여 플라즈마 발생에 따라 유도되는 유속을 측정하기 위한 방법을 나타낸 것이다. 이 때 Stagnation probe는 플라즈마와 반응하지 않게 하기 위하여 전기가 통하지 않는 유리 재질을 사용하였으며 probe 끝단의 외경과 내경은 각각 0.9 mm, 0.6 mm이다. Stagnation probe는 Micro manometer와 연결하여 압력을 측정하고 이를 통해 속도로 환산하였다.
- 이 때 발생하는 전압과 전류는 오실로스코프를 이용하여 측정되었다. 전압은 실험 장치에 공급되는 전압을 측정하였으며 전류는 노출되지 않은 전극과 접지 사이에 1 kΩ의 저항을 연결하여 그 사이의 전압을 측정하고 이를 전류로 환산하였다.
- 전극의 두께에 대한 플라즈마 액추에이터의 성능 조사는 동일 재료의 전극을 두께만 변화 시키면서 생성 유동의 속도를 비교하였다.
- 전극의 전기적 특성과 플라즈마 액추에이터 성능의 상관관계를 조사하기 위하여 두께를 일정하게 하고 전극의 종류만 바꾸어서 플라즈마 액추에이터가 만드는 유동 속도를 비교 하였다.
- 이번 연구는 가장 기초적인 DBD 플라즈마 액추에이터 연구로 주변 유동이 없는 곳에서 평판에 설치된 DBD 플라즈마 액추에이터의 여러 가지 변수와 성능과의 상관관계에 대해 실험적으로 연구하였다. 전극의 종류와 두께, 공급 전압 주파수를 변화시켜가며 플라즈마 액추에이터의 성능을 측정하였다. 성능 측정은 플라즈마 액추에이터에 의해 생성된 유동의 속도를 측정하는 방법으로 이루어졌다.
- 전압은 실험 장치에 공급되는 전압을 측정하였으며 전류는 노출되지 않은 전극과 접지 사이에 1 kΩ의 저항을 연결하여 그 사이의 전압을 측정하고 이를 전류로 환산하였다.
- 03 mm의 알루미늄 테이프이며 정현파 15 kV의 전압을 공급하였다. 주파수는 500 Hz, 1 kHz, 1.5 kHz를 실험하였으며 x=8 mm에서 y축으로의 속도분포를 얻었다. 1.
- 측정 영역의 속도 분포 결과를 통해 최대 유속 측정 부근의 속도 분포를 전극의 재료와 두께, 공급 주파수를 변화시켜가며 측정하여 비교 분석하였다.
- 본 연구에서는 DBD 플라즈마 액추에이터의 성능에 영향을 미치는 변수에 대해 실험적으로 평가하고자 하였다. 특히 액추에이터 전극의 재질, 두께 등 기본적인 변수를 포함하여 공급 전압의 세기 및 주파수 변화에 따른 성능 특성을 고찰하였다. 본 연구결과를 통해 다음과 같은 결론을 얻었다.
- 플라즈마 액추에이터의 공급 전압과 주파수에 관한 영향은 하나의 전극 종류와 두께를 선정하여 생성 유동의 속도를 측정하는 방법으로 조사하였다.
- 플라즈마 액추에이터의 전기 공급은 공기 중에 노출된 전극에는 고전압의 교류전원을 공급하고 노출되지 않은 전극은 접지 시키는 방법으로 이루어졌다. 전압 공급 장치는 Function generator와 Power amplifier(Trek 20/20C) 를 이용하여 최대 18 kV 전압까지 공급할 수 있다.
대상 데이터
- 공급 주파수와 전압의 영향에 대한 실험에서는 공급 전압 15 kV, 주파수 500 Hz, 1 kHz 및 1.5 kHz의 정현파가 사용되었다.
- 두 전극의 크기는 폭 방향으로 10 mm, 길이 방향으로 80 mm로 제작되었다.
- 본 실험에서 사용한 플라즈마 액추에이터는 유전체 장벽 방식의 플라즈마 액추에이터로 Fig. 1과 같은 구조를 가진다. 여기서 유전체는 아크릴(PMMA)을 사용하였으며 폭 방향(stream-wise)으로 60 mm, 길이(span) 방향으로 170 mm, 두께 3 mm로 제작되었다.
- 9는 주파수에 따른 플라즈마 액추에이터의 속도 분포를 나타낸 그림이다. 사용된 전극은 두께 0.03 mm의 알루미늄 테이프이며 정현파 15 kV의 전압을 공급하였다. 주파수는 500 Hz, 1 kHz, 1.
- 실험에 사용된 Micro manometer(Furness사의 FCO12)는 ±19.99 mmH2O 범위에서 ±0.5 %의 정확도로 압력을 측정한다.
- 1과 같은 구조를 가진다. 여기서 유전체는 아크릴(PMMA)을 사용하였으며 폭 방향(stream-wise)으로 60 mm, 길이(span) 방향으로 170 mm, 두께 3 mm로 제작되었다. 유전체와 전극은 에폭시 수지를 이용하여 부착하였다.
- 전극은 재료와 두께 별로 총 7가지로 Table 1은 각각의 전극의 재료와 두께를 나타낸 것이다. 전극의 재료는 니켈, 알루미늄, 구리를 사용하였으며 두께는 최소 0.025 mm부터 최대 0.1 mm까지를 사용하였다. 두께 0.
성능/효과
- 1) 플라즈마 액추에이터의 성능과 전극 재료에 관한 영향은 이온화 에너지가 낮고 전기 저항이 높은 재료일수록 생성 유동장의 속도가 크며, 그 유동장이 영향을 미치는 범위가 크다.
- 2) 플라즈마에 의해 유도되는 유동 속도의 분포 형태는 전극의 재료, 두께 그리고 공급 주파수와는 무관하며, 유동속도가 최대인 지점은 유동방향으로는 전극에서 약 8 mm 떨어진 지점, 수직방향으로는 0.5 mm∼1 mm 떨어진 영역으로 관찰되었다.
- 3) 전극의 두께와 플라즈마 액추에이터의 성능 관계는 두께가 작은 전극일수록 생성 유동장의 속도가 크며, 넓은 범위의 유동장이 생성되었다. 또한 액추에이터에 공급되는 전압의 주파수가 커질수록 유동장의 속도가 증가하고 넓은 영역까지 영향을 미치는 것을 알 수 있었다.
- Pitot 관을 통해 속도를 측정하여 0.01 mm 두께의 알루미늄의 전체 유동장을 관찰한 결과 공기에 노출된 전극으로부터 x축으로 7∼10 mm, 유전체 표면으로부터 y축으로 약 0.5 mm∼1 mm 떨어진 지점에서 최대 유속이 측정되었다.
- 두 전극 모두 최대 속도는 y=0.5∼1 mm 부근에서 약 3.1 m/s 정도로 측정되었으며 y=2.5 mm까지 유동의 속도가 측정되었다.
- 3) 전극의 두께와 플라즈마 액추에이터의 성능 관계는 두께가 작은 전극일수록 생성 유동장의 속도가 크며, 넓은 범위의 유동장이 생성되었다. 또한 액추에이터에 공급되는 전압의 주파수가 커질수록 유동장의 속도가 증가하고 넓은 영역까지 영향을 미치는 것을 알 수 있었다.
- 7 mm 지점에서 최대 속도가 측정 되었다. 알루미늄 전극이 만드는 유동의 최대 속도는 약 3.5 m/s 이며 구리 전극이 만드는 유동의 최대 속도는 약 2.5 m/s로 측정되었다. 또한 발생되는 속도가 y축으로 알루미늄은 2.
- 5 kHz와 1 kHz의 정현파가 공급될 때의 플라즈마 생성 사진이다. 이 사진을 통해 주파수가 증가할수록 생성 플라즈마의 세기가 밝아지는 것을 확인할 수 있다.
- 전체적인 속도 분포의 모양은 비슷하지만 알루미늄 전극이 만드는 유동 속도가 약 1 m/s 정도 빠르게 측정되며 더 넓은 지역의 유동을 만들어내고 있다. 이를 통해 알루미늄 전극이 구리 전극보다 좋은 성능의 플라즈마 액추에이터를 만든다는 것을 알 수 있다.
- 하지만 니켈의 전기 저항이 더 알루미늄의 전기 저항보다 약 3배 큰 것을 볼 수 있다. 이를 통해 플라즈마 액추에이터는 전기적 특성으로 볼 때 이온화 에너지가 작고 전기 저항이 클수록 성능이 좋다는 결론을 얻을 수 있다.
- 전극의 두께가 0.025 mm, 0.05 mm, 0.1 mm인 3가지 경우를 비교한 것으로 모든 두께의 전극에서 y=0.5∼1 mm 지점에서 최대 속도가 측정되었고 각각 3.5 m/s, 3 m/s, 2.8 m/s 정도의 최대 속도 값을 보였다.
- 전극의 두께에 따른 플라즈마 액추에이터의 성능을 확인하는 실험을 통해 두께가 얇을수록 좋은 성능의 플라즈마 액추에이터를 얻을 수 있다는 결론을 얻었다.
- 5 mm까지 유동의 속도가 측정되었다. 전반적으로 두 전극의 속도 분포는 거의 비슷한 형태로 나타났으며 이를 통해 알루미늄과 니켈은 거의 비슷한 성능의 플라즈마 액추에이터를 만든다는 것을 알 수 있다.
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