DBD プラズマアクチュエータにおいてバースト周波数がもたらす剥離制御

日本機械学会2011年度年次大会 [2011.9.11－14]
Copyright Ⓒ 2011　一般社団法人　日本機械学会
S055032
DBDプラズマアクチュエータにおいて
バースト周波数がもたらす剥離制御の実験的解析
Experimental Analysis of the Separation Control
by Burst Frequency in DBD Plasma Actuator
○正伊藤慎一郎 (工学院大)，正宇佐美達也 (大崎電気)，
正大山聖 (ISAS/JAXA)，正藤井孝藏 (ISAS/JAXA)
Tatsuya Usami, Department of Mechanical Engineering, Graduate School of Kogakuin University,
Shinichiro Ito, Department of Mechanical Engineering, Kogakuin University,
Akira Oyama, ISAS/JAXA and Kozo Fujii ISAS/JAXA
The dielectric barrier electric discharge plasma actuator is expected as a new technology which can make the design of an aerofoil
etc. unnecessary. The boundary layer control might be able to be performed by induced velocity in the boundary layer as an effect of
the dielectric substance barrier electrical discharge plasma actuator. Moreover, it also turns out that the control effectiveness
increases by repeating ON and OFF of the applied voltage, which is called burst. In this study, separation control on an airfoil by a
plasma actuator was performed, and its control effectiveness was evaluated. This paper showed the effective mechanism of burst
control by PIV.
Key words: Dielectric Barrier Discharge, Separation control, Burst Frequency, PIV
1.
緒言
近年，
これまでのような軍事用途以外にも将来における惑星探査
の手段として，小型の無人飛行機(Unmanned Air Vehicle)の研究
が盛んに行われている．
惑星探査飛行機は従来から考えられている
探査手法である衛星とローバーだけでは網羅できない領域を観測
できる手段として期待されている．
火星における重力加速度は地球環境の 1/3 である．しかし，大気
密度が地球上の 1/100 しかないために揚力と重力の釣り合いを保
つためには飛行速度，翼面積，揚力係数を増大させる必要がある．
ロケットの打ち上げ能力に由来する制限により，
必然的に小型飛行
機となる．火星飛行機でのレイノルズ数は諸要因により 103～104
程度となってしまうため，
火星飛行機を実現するためには揚力係数，
陽抗比を大きく増大させるような空力デバイスが必要となる．
以上の条件を満たす空力デバイスとして Dielectric Barrier
Discharge（以下 DBD）プラズマアクチュエータに注目が集まっ
ている．DBD アクチュエータは反応速度が速い，装置の薄さから
抵抗が少ない，
電気的機構の為比較的メンテナンスが少なくて済む
等のメリットがある．DBD アクチュエータは Fig. 1 に示すように
誘電体を挟む 2 つの電極で構成される．両電極に数 kV，数 kHz の
交流高電圧を印加すると誘電体バリヤ放電により露出電極と誘電
体の間の領域にプラズマが発生する．そして，露出電極から被覆電
極へと向かう流れを誘起するというものである．現在，DBD プラ
ズマアクチュエータを翼前縁付近に設置し，
作動させることで剥離
制御を行えることが分かっている 1)．さらに，印加電圧の on/off を
周期的に切り替えること(バースト)で制御効果が向上することも
分かっている 2)．しかし，様々な研究が行われているが，制御メカ
ニズムは解明されていない．そこで，本研究は DBD プラズマアク
チュエータのパラメータである交流周波数，
バースト周波数を変化
させ，バーストによる制御効果を PIV によって可視化することで
そのメカニズム解明を目的とする．
Fig. 1 Structure of DBD Actuator
Fig. 2 Definition of Driving Frequency fbase, and Burst Frequency f+
Fig. 3 Outline of DBD actuator
Measurement Area
2．
．実験方法
実験方法
DBD アクチュエータには，図 2 に示すような交流高電圧を印加
している．印加電圧 Vref の on/off を周期的に切り替えることをバー
スト比率:BR，1 周期に入っている波の数:n，交流電圧周波数:fbase
とした時バースト周波数:f+を下記の式で表せる．
f × BR
f + = base
n
実験は，翼弦長 100 ㎜ NACA0015 翼型を用い，Re=6.3×104，翼
Fig. 4 PIV Measurement Area
面圧力計測においては n=2，fbase：2～30kHz，f+：333～3000Hz，BR：
16.7～50.0%の範囲で，PIV 計測は圧力計測より，Normal 制御を印
加電圧 Vref=3.5kV，5.0kV．Burst 制御として n=2，fbase=16kHz，
[No.11-1]　日本機械学会2011年度年次大会DVD-ROM論文集〔2011.9.11－14，東京〕
-3.0
-2.5
-2.5
-2.0
-2.0
C p [-]
C p [-]
-3.0
-1.5
-0.5
0
500
0.0
0
1000 1500 2000 2500 3000 3500
+
f [Hz]
Fig.5(a) x/c=0.125 BR=16.7%
1000 1500 2000 2500 3000 3500
+
Fig.5(b) x/c=0.125 BR＝25.0%
-2.5
-2.0
-2.0
C p [-]
-3.0
-2.5
-1.0
500
f [Hz]
-3.0
-1.5
Fig.6(a) no DBD control
Average (4 times）
Maximum (average of 4times）
Minimum (average of 4times）
-0.5
Average (4 times）
Maximum (average of 4times）
Minimum (average of 4times）
0.0
C p [-]
-1.5
-1.0
-1.0
Fig. 6(b) Non- Burst Control Vref=3.5kV
-1.5
-1.0
-0.5
Average (4 times）
Maximum (average of 4times）
Minimum (average of 4times）
0.0
0
500
1000 1500 2000 2500 3000 3500
f + [Hz]
-0.5
Average (4 times）
Maximum (average of 4times）
Minimum (average of 4times）
0.0
0
500
1000 1500 2000 2500 3000 3500
+
f [Hz]
Fig.5(c) x/c=0.125 BR=33.3% Cp Fig.5(d) x/c=0.125 BR＝50.0%
Fig. 6(c) Non- Burst Control Vref=5.0kV
Figs.5 Cp variation of the suction side on the wing
BR=25.0%，f+=2000Hz，Vref=3.5kV で計測した．トリッピングワイ
ヤ制御においては 0.3mm のワイヤを前縁に設置した．アクチュエ
ータ設置位置，PIV 計測範囲を図 3，図 4 に示す．
Fig. 6(d) Burst ControlVref=3.5kV, fbase=16kHz,BR=25.0%，f+=2000Hz
３．結果および
結果および考察
および考察
図 5(a)にバースト周波数 f+ を変化させた場合の x/c=0.125，
BR=16.7%，図 5 (b)に x/c=0.125，BR=25.0%の Cp の変化をそれぞれ
示す．特徴的な傾向として f+＝1700Hz 付近で制御効果が低くなっ
ている．そして，f+＝1250Hz と f+＝2000Hz を中心に制御効果が高
まる領域が存在している．図 5(c)に示す x/c=0.125，BR=33.3%の Cp
では BR=16.7%，25.0%にて確認できた f+＝1250Hz 付近の制御効果
が低くなっている．ただし，制御効果が最も高い値よりは，若干低
Fig. 6(e) Tripping Wire Control
Figs.6 Particle Image of Velocity Field on the Left and y-Direction
Velocity Distribution on the Right
い Cp を示している．これは，剥離を抑制できているタイミングと，
できていないタイミングが存在するものだと考える．
図 5(d)に x/c=0.125，BR=50.0%の Cp の変化を示す．BR＝50.0%で
は f+＝1250Hz に剥離抑制の前兆も確認できなく，制御効果が高ま
+
る周波数は f ＝2000Hz にピークを持つ形でのみ現れる．
図 6 に粒子画像と y 方向速度分布を示す．図 6(a)は DBD 制御な
し，図 6(b)は Normal 制御(Non-Burst), Vref=3.5kV 時のものである．
両者共に剥離を起こしていることが粒子画像より分かる．しかし，
速度v よりDBD 制御なしに比べNormal 制御Vref=3.5kV では流れを
うに後方まで伸びている．これは境界層を示していると思われ，
DBD 制御に比べ混合があまり行われていないことがわかる．
Burst 制御は渦生成により流れを乱し，レイノルズ応力を介した
間接的な境界層に運動量を供給できる．このことから，低エネルギ
ーで効果的な制御を可能としている．
４. 結言
DBD プラズマアクチュエータによる Burst 制御において，次の事
が分かった．
(1) BR が低い 25.0%では f+=1700Hz 付近で制御効果が低くなり，
乱していることがわかる．
せん断層が乱されていることも確認でき
る．図 6(c)に Normal 制御 Vref=5.0kV，6(d)に Burst 制御 fbase=16kHz，
+
BR=25.0%，f =2000Hz，Vref=3.5kV の画像を示す．Normal 制御
Vref=5.0kV と Burst 制御は共に翼面上に渦の生成が確認できる．こ
低周波，高周波に約 500Hz 前後にわたり制御効果が高い領域が確
認できた．
(2) y 方向速度 v より渦の存在を定義した結果，Normal 制御，ト
リッピングワイヤ制御，Burst 制御は同様の渦が生成される．
の渦により境界層に運動量の供給を行い，
剥離を抑制していると考
えられる．
ただし，
Burst 制御は Normal 制御 Vref=5.0kV に比べ 25.0%
(4) Burst 制御はトリッピングワイヤ制御と同様に渦を生成し，効
率的に境界層制御ができる
の放電であり，電圧も低くことから，Burst させることで，流れを
乱す効果があり，Normal 制御 5.0kV と同等の効果を与える．図 6
（e）に剥離が抑制されている Tripping Wire 制御の画像を示す．ト
リッピングワイヤにより渦を生成して流れを乱していることが分
かる．しかし，DBD 制御に比べ，下向きの流れが翼面より離れて
いる．また，粒子画像より，翼面上に比較的色が黒い領域が線のよ
参考文献
1) AndreyA.Sidorenko・Alexey D. Budovsky・他 2 名，“Flight Testing
of DBD Plasma Separation Control System”, AIAA 2008-373．
2) 瀬川武彦・他 3 名,”DBD プラズマアクチュエータ誘起噴流の
高速化メカニズム解明に関する実験的研究”,日本機械学会
2009 年度年次大会講演論文集, 09-1 巻 2 ，pp201-202．

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