Modellazione numerica di attuatori a scarica di barriera dielettrica basati sulle proprietà del basso

Dec 03, 2023

Rapporti scientifici volume 12, numero articolo: 10378 (2022) Citare questo articolo

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I sistemi di controllo del flusso elettroidrodinamico hanno dimostrato di essere tra le strategie di controllo del flusso più promettenti nei decenni precedenti. Sono infatti disponibili diversi metodi per una valutazione e una descrizione efficiente degli effetti di tali sistemi. Tuttavia, a causa del ruolo fondamentale di questi sistemi in varie applicazioni, i possibili miglioramenti sono ancora oggetto di studio. Viene presentato un nuovo modello fenomenologico per la simulazione degli attuatori del plasma basato sulle proprietà elettrodinamiche dei plasmoni a bassa frequenza. Il modello simula la regione plasmonica come mezzo dispersivo. Questa energia dissipata viene aggiunta al flusso introducendo una regione ad alta pressione, calcolata in termini di vettori di forza del corpo locale, che richiede la distribuzione del campo elettrico e del campo di polarizzazione. Il modello determina il campo elettrico per il calcolo del vettore forza del corpo basato sull'equazione di Poisson e implementa il modello di Lorentz semplificato per il campo di polarizzazione. Per esplorare a fondo le prestazioni del modello presentato, è stato condotto un esperimento fornendo un confronto tra l'effetto osservato degli attuatori del plasma sul flusso del fluido con i risultati previsti dal modello. Il modello viene quindi convalidato sulla base dei risultati di altri esperimenti distinti e di modelli numerici esentati, basati sullo scambio di quantità di moto con il fluido ambientale a carica neutra, dimostrando che il modello ha una migliore adattabilità e capacità di autoregolazione rispetto ai modelli disponibili.

I sistemi di controllo del flusso elettroidrodinamico hanno dimostrato di essere tra le strategie di controllo del flusso più promettenti nei decenni precedenti. Tra questi sistemi, è stato confermato che gli attuatori al plasma sono efficaci in un'ampia varietà di applicazioni, tra cui scopi di controllo del flusso, fotonica e optoelettronica, tecnologie di trasformazione alimentare, trattamento del cancro e biotecnologia1,2,3,4,5,6. La letteratura mostra un forte background, indagando e migliorando l'applicabilità e l'efficacia di diversi metodi di controllo del flusso in diversi campi applicativi7,8,9,10,11,12,13,14,15,16. Tuttavia, è necessario un processo approfondito di sviluppo e test per incorporare i sistemi risultanti nelle applicazioni reali. Le simulazioni numeriche hanno tradizionalmente tentato di fornire algoritmi avanzati per la progettazione, la simulazione e la comprensione di complicati sistemi di controllo del flusso, poiché l'approccio sperimentale richiede numerose iterazioni per tentativi ed errori costose e dispendiose in termini di tempo. Attualmente in letteratura sono disponibili diversi metodi per una valutazione e una descrizione efficienti dell’effetto dei sistemi di scarica a barriera dielettrica (DBD). Tuttavia, a causa del ruolo critico di questi sistemi in molti problemi di controllo del flusso, vale sempre la pena indagare sui possibili miglioramenti e un algoritmo migliorato è sempre il benvenuto.

Attualmente esistono tre categorie di modelli per la simulazione degli attuatori al plasma; modelli basati su principi fondamentali17,18,19,20,21, modelli empirici22,23 e modelli fenomenologici24,25,26,27,28. Al fine di formare strutture per metodologie basate sui principi primi, i modelli della prima categoria tentano di riprodurre i meccanismi fisici di un attuatore del plasma, sia dal lato idrodinamico20,21,29,30 che dal lato del plasma17,18,19. Pertanto, questi modelli devono considerare le equazioni di trasporto sia per le specie cariche che per quelle neutre, nonché l'equazione di Poisson per il campo elettrico e le equazioni di Navier-Stokes. Questi modelli sono più accurati pur richiedendo notevoli costi e tempi di calcolo. La seconda categoria tenta di imporre una descrizione accurata della forza corporea indotta dagli attuatori del plasma nelle equazioni della quantità di moto. Questi modelli prendono in considerazione lo sviluppo di strumenti di modellazione pratici per attuatori DBD per scopi rapidi di progettazione, controllo e ottimizzazione. L'ultima categoria di modelli utilizza insiemi semplificati di equazioni differenziali, risultando in simulazioni meno impegnative dal punto di vista computazionale, considerando al tempo stesso la fisica che contribuisce con semplificazioni e mantenendo un livello accettabile di accuratezza. Negli ultimi anni sono state condotte molte ricerche sugli attuatori al plasma. In primo luogo, il presente lavoro esamina alcune delle passate ricerche sperimentali e numeriche sugli attuatori al plasma, quindi discute pensieri e fondamenti per comprendere meglio i meccanismi fisici alla base dell'interazione dell'attuatore con il flusso e per sviluppare una nuova metodologia pratica per simulare attuatori al plasma. Sulla base delle descrizioni sopra relative alle diverse categorie di modelli per la simulazione di attuatori al plasma, questo studio fornirà quindi un modello fenomenologico per la simulazione di attuatori al plasma a bassa frequenza. In quanto segue, nello specifico, verranno studiati i modelli fenomenologici.