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유체역학에 바탕한 플라즈마 모델링을 통한 유전체 장벽 방전 플라즈마의 전파 특성 해석
Electromagnetic Characteristics of Dielectric Barrier Discharge Plasma Based on Fluid Dynamical Modeling 원문보기

韓國電磁波學會論文誌 = The journal of Korean Institute of Electromagnetic Engineering and Science, v.24 no.3, 2013년, pp.331 - 336  

김유나 (연세대학교 전기전자공학과) ,  오일영 (연세대학교 전기전자공학과) ,  홍용준 (국방과학연구소) ,  육종관 (연세대학교 전기전자공학과)

초록
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본 논문은 유체 역학적 관점에서 플라즈마 모델링을 통하여 전자 밀도를 계산하는 방식을 제안하였다. 그럼으로써 기존 논문들에서 사용된 단순화된 플라즈마 모델링의 한계를 극복하였다. 계산된 전자 밀도를 finite-difference time-domain(FDTD) 기법에 기반한 맥스웰-볼츠만 시스템에 연계하여 다양한 각도에서 입사하는 전자기파에 대한 산란파 계산을 수행하였다. 전반부에서는 유전체 장벽 방전(dielectric barrier discharge: DBD) 구조에서 발생되는 플라즈마를 모델링하였다. 다수의 모델링 방식 중, 시간 독립적인 변수를 도입하여 정지계의 전위 분포와 전자 밀도 분포를 계산하는 Suzen-Huang 모델을 이용하였다. 후반부에서는 변조된 가우시안 펄스플라즈마에 입사시켜 발생하는 산란파를 FDTD 기법을 이용하여 계산하였으며, 이를 바탕으로 레이더 단면적(radar cross section: RCS)을 관찰하였다. 모의실험 결과, DBD 플라즈마에 의해 1~2 dB 감소하는 것을 관찰할 수 있었다. 이는 기존의 논문에서 알려진 RCS 측정 결과와 유사한 양상을 보이며, 본 논문에서 제안한 모델링의 유효성을 확인하였다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

In this paper, plasma modeling is achieved using fluid dynamics, thereby electron density is derived. The way proposes the key to overcoming the limitations of conventional researches which adopt simplified plasma model. The result is coupled with Maxwell-Boltzmann system in order to calculate scatt...

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

  • 본 논문에서는 가우시안 펄스가 유전체에 90°, 105°로 입사하는 경우에 RCS를 계산하였다[12].
  • 본 논문에서는 유체 역학적 플라즈마 모델링을 이용하여 전자밀도를 계산하는 방식을 제안하였다. DBD 구조에서 발생된 플라즈마 모델링은 SuzenHuang model을 도입하여 수행되었다.
  • 또한, 본 모의실험은 2차원 FDTD를 이용하여 수행되었으나, 향후 3차원으로 확장시킨다면 추가적으로 발생되는 효과까지 고려하여 해석의 정확도를 증가시킬 수 있을 것이다. 본 논문은 나아가 복잡한 기하학적 구조 혹은 난류 특성을 포함한 상황에서도 유체 역학과의 커플링을 통하여 산란파 해석에 보다 현실적인 접근이 가능함을 시사한다.
  • 이와 같은 연구의 기반이 되는 플라즈마 해석을 위해서는 플라즈마 발생환경과 상황에 맞는 적절한 플라즈마 변수들의 결정이 중요하다. 본 논문은 플라즈마 전자 밀도 분포 해석에서 새로운 방식을 제안하였다. 기존의 연구는 플라즈마의 전자 밀도 분포를 극도로 단순화한 가정값을 사용하였다[1],[2].
  • 전자기파가 DBD 구조에 수직으로 입사하는 90°에서 약 1~2 dB 가량의 RCS가 감소하는 현상이 나타나며 이 수치는 본 논문의 모의실험 결과와 유사하다. 이를 근거로 본 논문에서 수행한 유체 역학을 통한 DBD 플라즈마 모델링의 유효성을 확인하였다.

가설 설정

  • 도전성(electrically conductive) 유체인 플라즈마를 분석하기 위해서는 식 (1)의 나비에-스톡스 방정식에 추가로 전자 밀도 분포가 전위에 따라 어떻게 변화하는 지 반영해 주어야 한다. 본 논문에서 사용된 Suzen-Huang 모델[7],[8]은 발생된 플라즈마의 두께가 충분히 얇은 것을 가정하고 있다. 이를 바탕으로 식 (5)와 같이 전위 Φ를 Φ와 φ로 나누어 분석하는 것이 가능하다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
플라즈마는 어떤 유체인가? 플라즈마는 도전성 유체(electrically conductive)이기 때문에 외부 전자기장에 따라 그 분포가 크게 달라진다. 따라서 전자기장에 따른 플라즈마의 분포 변화를 반영할 기법이 추가로 필요하다.
플라즈마의 전자 밀도 분포를 극도로 단순화한 가정값을 사용하는 것의 문제점은? 기존의 연구는 플라즈마의 전자 밀도 분포를 극도로 단순화한 가정값을 사용하였다[1],[2]. 이는 실제 플라즈마의 분포와 큰 차이를 나타내기 때문에 산란파 해석의 정확도를 낮추는 요인이 된다. 따라서 유체 역학적 관점에서 검증된 플라즈마 모델링에서 얻어진 분포를 FDTD에 기반 한 맥스웰-볼츠만 시스템에 대입하여 계산함으로써[2],[3] 상대적으로 높은 정확도를 가지는 플라즈마의 전자파 산란 특성이 분석 가능하다.
플라즈마 해석에 중요한 것은? Finite-difference time-domain(FDTD)를 이용하여 플라즈마의 전자파 흡수 특성을 분석한 연구들이 수십년간 활발히 진행되어 왔다. 이와 같은 연구의 기반이 되는 플라즈마 해석을 위해서는 플라즈마 발생환경과 상황에 맞는 적절한 플라즈마 변수들의 결정이 중요하다. 본 논문은 플라즈마 전자 밀도 분포 해석에서 새로운 방식을 제안하였다.
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참고문헌 (13)

  1. B. Chaudhury, S. Chaturvedi, "Comparison of wave propagation studies in plasmas using three-dimensional finite-difference time-domain and ray-tracing methods", Physics of Plasmas, vol. 13, p. 123302, Dec. 2006. 

  2. G. Cerri, F. Moglie, R. Montesi, P. Russo, and E. Vecchioni, "FDTD solution of the Maxwell-Boltzmann system for electromagnetic wave propagation in a plasma", IEEE Trans. Antennas and Propag., vol. 56, no. 8, pp. 2584-2588, Aug. 2008. 

  3. U. S. Inan, R. A. Marshall, Numerical Electromagnetics: The FDTD Method, Cambridge University Press, 2011. 

  4. D. M. Orlov, T. C. Corke, and M. Patel, "Electric circuit model for aerodynamic plasma actuator", AIAA Paper, vol. 126, 2006. 

  5. B. Jayaraman, W. Shyy, "Modeling of dielectric barrier discharge-induced fluid dynamics and heat transfer", Progress in Aerospace Sciences, vol. 44, pp. 139-191, Apr. 2008. 

  6. B. R. Munson, D. F. Young, T. H. Okiishi, and W. Shao, Fundamentals of Fluid Mechanics, vol. 3, Wiley York, NY, USA, 1998. 

  7. Y. B. Suzen, P. G. Huang, "Simulations of flow separation control using plasma actuators", AIAA Paper, vol. 877. Jan. 2006. 

  8. A. Bouchmal, "Modeling of dielectric-barrier discharge actuator", Unpublished Thesis(M.A.), Delft University of Technology, Mar. 2011. 

  9. C. L. Enloe, Thomas E. McLaughlin, Robert D. Van- Dyken, and John C. Fischer, "Mechanisms and responses of a single dielectric barrier plasma actuator: Geometric effects", AIAA Journal, vol. 42, pp. 595- 604, Mar. 2004. 

  10. C. L. Enloe, T. E. McLaughlin, R. D. VanDyken, and K. D. Kachner, "Plasma structure in the aerodynamic plasma actuator", AIAA Journal, vol. 844, Jan. 2004. 

  11. M. Forte, J. Jolibois, J. Pons, E. Moreau, G. Touchard, and M. Cazalens, "Optimization of a dielectric barrier discharge actuator by stationary and non-stationary measurements of the induced flow velocity: application to airflow control", Exp. in Fluids, vol. 43, pp. 917-928, 2007. 

  12. K. Umashankar, A. Taflove, "A novel method to analyze electromagnetic scattering of complex objects", IEEE Trans. Electromagnetic Compatibility., pp. 397-405, Nov. 1982. 

  13. S. Wolf, M. Arjomandi, "Investigation of the effect of dielectric barrier discharge plasma actuators on the radar cross section of an object", Journal of Physics D: Applied Physics, vol. 44, p. 315202, Jul. 2011. 

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