ЧИСЕЛЬНЕ МОДЕЛЮВАННЯ НЕСТАЦІОНАРНИХ ПОТОКІВ ХОЛОДНОЇ ПЛАЗМИ ДІЕЛЕКТРИЧНОГО БАР’ЄРНОГО РОЗРЯДУ В ПОВІТРІ
DOI:
https://doi.org/10.32782/KNTU2618-0340/2020.3.2-1.21Ключові слова:
діелектричний бар’єрний розряд, плазмовий актуатор, динаміка плазмиАнотація
Розроблено нову математичну модель низькотемпературної нерівноважної ідеальної плазми діелектричного бар’єрного розряду в повітрі. За базовий обраний дифузійно-дрейфовий підхід для опису просторово-часової структури, включаючи нестаціонарні електродинамічні процеси, кінетичні явища та плазмохімічні реакції. У моделі враховуються електронно-збуджені та метастабільні стани молекул азоту та кисню, нейтральні атоми кисню, електрони, а також позитивні та негативні іони, у цілому 14 частинок і 97 плазмохімічних реакцій, включаючи поверхневі процеси. Хімічні реакції включають: процеси дисоціації, іонізації молекул електронним ударом з основного стану; ступінчасту й асоціативну іонізацію, фотоіонізацію; збудження молекул; іонізацію збуджених (метастабільних) молекул; прилипання і відлипання електронів; рекомбінацію електронів і позитивних іонів; хімічні перетворення нейтральних атомів, молекул та іонів, а також процеси вторинної емісії електронів з відкритого електрода і діелектричної поверхні. Для нестаціонарних рівнянь динаміки плазми розроблено неявний чисельний алгоритм з підітераціями за псевдочасом, який базується на скінченно-об’ємному підході. У нестаціонарних рівняннях для густини частинок плазми апроксимація дрейфових похідних здійснюється за допомогою схеми TVD з функцією-обмежувачем MinMod. Реалізовано єдиний неявний чисельний алгоритм для ефективного розв’язання неоднорідної системи вихідних рівнянь. Проведено серію обчислювальних експериментів з моделювання нестаціонарних процесів низькотемпературної нерівноважної плазми діелектричного бар’єрного розряду. Проведено детальне вивчення стадій зародження, розвитку і гасіння катодоспрямованого стримера для реальних конфігурацій плазмових актуаторов на основі розробленої математичної моделі. Проаналізовано нестаціонарні характеристики плазми в області над діелектричною поверхнею, включаючи розподіл густини частинок, електричного потенціалу і компонент сили Лоренца.
Посилання
Редчиц Д. А., Моисеенко С. В. Математическое моделирование дозвукового турбулентного обтекания колеблющегося профиля NACA 0015. Прикладні питання математичного моделювання. 2018. № 2. С. 133–145. DOI: 10.32782/2618-0340-2018-2-133-145.
Prikhod’ko A. A., Redtchits D. A. Numerical Modeling of a Viscous Incompressible Unsteady Separated Flow Past a Rotating Cylinder. Fluid Dynamics. 2009. Vol. 44, № 6. P. 823–829. DOI: 10.1134/S0015462809060040.
Redchyts D. O., Shkvar E. A., Moiseienko S. V. Control of Karman Vortex Street by using Plasma Actuators. Fluid Dynamics and Materials Processing. 2019. Vol. 15, № 5. P. 509–525. DOI: 10.32604/fdmp.2019.08266.
Abe T., Takagaki M. Momentum Coupling and Flow Induction in a DBD Plasma Actuator. AIAA Paper. 2009. № 4068. 8 p. DOI: 10.2514/6.2009-4068.
Hagelaar G. J., Pitchford L. C. Solving the Boltzmann Equation to Obtain Electron Transport Coefficients and Rate Coefficients for Fluid Models. Plasma Sources Sci. Technol. 2005. Vol. 14, № 4. P. 722–733. DOI: 10.1088/0963-0252/14/4/011.
Forte M., Jolibois J., Moreau E., Touchard G., Cazalens M. Optimization of a Dielectric Barrier Discharge Actuator by Stationary and Non-Stationary Measurements of the Induced Flow Velocity–Application to Airflow Control. AIAA Paper. 2006. № 2863. 9 p.
DOI: 10.2514/6.2006-2863.
Kossyi A. Yu., Matveyev A. A,. Silakov V. P. Kinetic Scheme of the Non-Equilibrium Discharge in Nitrogen-Oxygen Mixtures. Plasma Sources Science and Technology. 1992. Vol. 1, № 3. P. 207–220. DOI: 10.1088/0963-0252/1/3/011.
Nudnova M., Kindusheva S., Aleksahdrov N., Starikovskiy A. Rate of Plasma Thermalization of Pulsed Nanosecond Surface Dielectric Barrier Discharge. AIAA Paper. 2010. № 465. 15 p. DOI: 10.2514/6.2010-465.
Enloe C., McLaughlin T., Gregory J., Medina R., Miller W. Surface Potential and Electric Field Structure in the Aerodynamic Plasma Actuator. AIAA Paper. 2008. № 1103. 11 p. DOI: 10.2514/6.2008-1103.
Font G., Enloe C., Newcomb J., Teague, A., Vasso A. Effects of Oxygen Content on the Behavior of the Dielectric Barrier Discharge Aerodynamic Plasma Actuator. AIAA Paper. 2010. № 545. 16 p. DOI: 10.2514/6.2010-545.
