STUDIO DELL’INTERAZIONE ELETTROIDRODINAMICA INDOTTA
DA SCARICA A BARRIERA
C.A. Borghi, A. Cristofolini, G. Neretti
Dipartimento di Ingegneria Elettrica dell’Università degli Studi di Bologna
Viale Risorgimento, 2, 40135, Bologna, Italy
In questa memoria sono presi in esame i meccanismi che inducono la formazione di plasma
mediante una scarica a barriera a pressione atmosferica e che permettono il trasferimento di
energia dal campo elettrico alle particelle neutre dello strato limite (interazione
Elettroidrodinamica – EHD). L’applicazione di tale tecnologia appare di notevole interesse
nel campo aeronautico sia applicata a profili alari che a palettamenti di turbina.
La scarica a barriera viene generata quando due elettrodi, alimentati con tensioni alternate di
alcuni kV e frequenze dell’ordine del kHz, sono separati da una superficie di materiale
dielettrico. Per realizzare un attuatore fluidodinamico basato su tale tipologia di scarica,
occorre che gli elettrodi siano sfalsati tra di loro (vedi Figura 1). Durante un ciclo, al crescere
della tensione, si generano filamenti di plasma che dal bordo di un elettrodo avanzano sulla
superficie del dielettrico. Nel fronte di propagazione del plasma (sheath) è presente
separazione di carica. Gli ioni di tale regione sono accelerati dal campo elettrico e urtando
contro le altre particelle neutre del gas trasmettono a queste l’energia cinetica acquisita. In tale
modo viene direttamente effettuata una trasformazione da energia elettrica in cinetica senza
l’ausilio di parti in movimento.
Presso il Laboratorio Plasmi del Dipartimento di Meccanica e Aerospazio dell’Università di
Princeton (NJ) è stato testato un innovativo sistema di alimentazione per attuatori
fluidodinamici basati su scarica a barriera. Il suddetto sistema consiste nella sovrapposizione
di nano-impulsi di tensione fino a 5 kV, 50 kHz e FWHM pari a 10 ns, e di una tensione
continua o alternata a bassa frequenza di ampiezza massima pari a 6 kV. Gli impulsi hanno la
funzione di ionizzare il gas e quindi di generare il plasma, il segnale (bias) in continua o
alternata di fornire la spinta agli ioni. Scorporando il fenomeno di formazione del plasma da
quello di spinta è possibile sia comprendere più a fondo la fenomenologia che sta alla base
dell’interazione EHD che avere maggiori gradi di libertà nel controllo dell’attuatore
elettrofluidodinamico.
L’attuatore in esame è costituito da una coppia di elettrodi separati da un film di kapton di
spessore 100 µm testato in aria in assenza di flusso esterno. La sua azione è stata monitorata
mediante la rapida successione di immagini Schlieren catturate ogni millisecondo. In questo
modo è possibile apprezzare sia la morfologia dei vortici generati mediante l’interazione
EHD, sia la loro velocità. In Figura 2 viene riportato lo schema del setup di alimentazione e
una tipica immagine Schlieren che mostra il vortice generato dall’azione EHD.
Una serie di esperimenti realizzati utilizzando un bias in continua ha mostrato la bassa
efficienza dell’attuatore dovuta ad un accumulo di carica sulla superficie del dielettrico.
Applicando un bias sinusoidale è stato possibile rimuovere tale distribuzione di carica
incrementando enormemente l’efficacia dell’azione EHD. In Figura 3 viene mostrata la
diversa posizione dello stesso vortice generato mediante bias in continua o in alternata. Nel
caso di bias sinusoidale si inducono velocità fino a 2 m/s e propagazioni del getto di aria fino
a 5 cm di distanza dall’elettrodo superiore.
Misure di spinta realizzate mediante una bilancia di precisione hanno dimostrato come il
sistema di alimentazione impulsato garantisca prestazioni più elevate rispetto al tradizionale
sistema di alimentazione di tipo sinusoidale (vedi Figura 4).
Nell’ambito della ricerca descritta, è stato sviluppato un codice numerico per l’analisi del
fenomeno e l’interpretazione dei dati sperimentali. Il modello è costituito dalle equazioni
tempo dipendenti di conservazione delle specie presenti nella scarica(ioni ed elettroni). I flussi
delle specie hanno una componente diffusiva, valutata tramite la legge di Fick, ed una
componente dovuta al campo elettrico. Le equazioni di conservazione sono quindi accoppiate
all’equazione di Poisson che consente di valutare, ad ogni passo temporale, la distribuzione
del campo elettrico sul dominio.
Figura 1
Figura 2
Figura 3
Figura 4
1. D. Opaits, A. Likhanskii, M. Shneider, G. Neretti, S. Zaidi, S. Macheret and R. Miles, Experimental Investigation of DBD Plasma Actuators Driven by Repetitive High Voltage Nanosecond
Pulses with DC or Low-Frequency Sinusoidal Bias, 38th AIAA PDL Conference, Paper AIAA
2007-4532 (Best Paper Award), Miami (Florida), June 2007.
2. D. Opaits , G. Neretti, S. Zaidi, M. Shneider and R. Miles, Princeton University, NJ; A. Likhanskii and S. Macheret, DBD Plasma Actuator Driven by a Combination of Low Frequency Bias
Voltage and Nanosecond Pulses, 46th AIAA Aerospace Sciences Meeting and Exhibit,l Paper
AIAA-2008-1372, 7 - 10 January 2008, Reno, Nevada.
3. D. Opaits, A. Likhanskii, M. Shneider, G. Neretti, S. Zaidi, S. Macheret and R. Miles, Experimental Investigation on Dielectric Barrier Discharge Plasma Actuator Driven by repetitive HighVoltage Nanosecond Pulses With DC or AC Low Frequency Sinusoidal Bias, Journal of Applied
Physics 104, 043304 (2008).
