Tandem cylinder flow control in the form of dielectric barrier discharge, DBD, plasma actuation on the upstream cylinder is used to control the wake and flow around the downstream cylinder. Twin spanwise-oriented plasma actuators are mounted at ± 80 degrees from the forward stagnation point of the upstream cylinder. The actuators are powered with two different AC voltage levels, low-power forcing and high-power forcing. Flow control experiments are performed at Reynolds number 4,700, and cylinder spacing range 3 > L/D > 5. Results include pressure measurements on the downstream cylinder and wake surveys using Particle Image Velocimetry, PIV. High-power forcing reduces the height between vorticity peaks behind upstream cylinder and, in the case of L=3D, restricts upstream wake from impinging on downstream cylinder.

The development of a Magneto-hydrodynamics (MHD) numerical tool to study high density thermal plasmas in plasma acceleration devices is presented. The MHD governing equations represent eight conservation equations for the evolution of density, momentum, energy and induced magnetic fields in a plasma. A matrix-free implicit method is developed to solve these conservation equations within the framework of an unstructured grid finite volume formulation. The analytic form of the convective flux Jacobian is derived for general unstructured grids. A Lower Upper Symmetric Gauss Seidel (LU-SGS) technique is developed as part of the implicit scheme. A coloring based algorithm for parallelization of this technique is also presented and its computational efficiency is compared with a global matrix solve technique that uses the GMRES (Generalized Minimum Residual) algorithm available in the PETSc (Portable Extensible Toolkit for Scientific computation) libraries. The verification cases used for this study are the MHD shock tube problem in one, two and three dimensions, the oblique shock and the Hartmann flow problem. It is seen that the matrix free method is comparatively faster and shows excellent scaling on multiple cores compared to the global matrix solve technique. The numerical model was thus verified against the above mentioned standard test cases and two application problems were studied. These include the simulation of plasma deflagration phenomenon in a coaxial plasma accelerator and a novel high speed flow control device called the Rail Plasma Actuator (RailPAc). Experimental studies on coaxial plasma accelerators have revealed two different modes of operation based on the delay between gas loading and discharge ignition. Longer delays lead to the detonation or the snowplow mode while shorter delays lead to the relatively efficient stationary or deflagration mode. One of the theories that explain the two different modes is based on plasma resistivity. A numerical modeling study is presented here in the context of a coaxial plasma accelerator and the effect of plasma resistivity is dealt with in detail. The simulated results pertaining to axial distribution of radial currents are compared with experimental measurements which show good agreement with each other. The simulations show that magnetic field diffusion is dominant at lower conductivities which tend to form a stationary region of high current density close to the inlet end of the device. Higher conductivities led to the formation of propagating current sheet like features due to greater convection of magnetic field. This study also validates the theory behind the two modes of operation based on plasma resistivity. The RailPAc (Rail Plasma Actuator) is a novel flow control device that uses the magnetic Lorentz forces for fluid flow actuation at atmospheric pressures. Experimental studies reveal actuation ~ 10-100 m/s can be achieved with this device which is much larger than conventional electro-hydrodynamic (EHD) force based plasma actuators. A magneto-hydrodynamics simulation study of this device is presented. The model is further developed to incorporate applied electric and magnetic fields seen in this device. The snowplow model which is typically used for studying pulsed plasma thrusters is used to predict the arc velocities which agrees well with experimental measurements. Two dimensional simulations were performed to study the effect of Lorentz forcing and heating effects on fluid flow actuation. Actuation on the order of 100 m/s is attained at the head of the current sheet due to the effect of Lorentz forcing alone. The inclusion of heating effects led to isotropic blast wave like actuation which is detrimental to the performance of RailPAc. This study also revealed the deficiencies of a single fluid model and a more accurate multi-fluid approach is proposed for future work. / text

No description available.

As one of the key components of aero engines, compressor is required to endure higher pressure,  possess  higher  efficiency  and  wider  operating  range. Intensive studies have been made on tip leakage flow and researchers find that by reasonably organizing tip leakage flow, aero engines are  more likely to achieve better performance and reliability. Conventional flow controlling methods  like casing treatment and micro jet could substantially modify tip leakage flow, unfortunately with  a price of additional loss, not to mention the difficulty in manufacturing such structure. Whereas  plasma actuation  flow control method  uses  plasma actuators,  such equipment is easy  to  build,  responses  fast  and  has  a  wide  excitation  bandwidth.  This  method  has  become  a  new  trend  in  internal flow active control field.  In this research, a phenomenological model is adopted to simulate DBD plasma actuation in the  flow field inside a compressor cascade. The aim is to find out how plasma actuation will influence  tip  leakage  flow.  Meanwhile  possible  means  to  improve  plasma  actuation  performance  are  discussed.  First of all, numerical simulation of flow inside a compressor cascade without plasma actuation is  conducted to validate accuracy of the numerical methodology adopted and then determine one  numerical  approach  that  satisfies  specific  needs  sufficiently.  Meanwhile,  influence  of  casing  movement on tip leakage flow as well as possible mechanism of tip leakage vortex core generation  is investigated in detail. The results indicate:    1. Generating position of tip leakage vortex moves towards leading edge with increasing moving  speed of shroud.  2. As shroud moving speed increases, trajectory of tip leakage vortex moves away from suction  side of blade and closely towards shroud.  3. Casing movement  tends  to  transform  tip leakage vortex  from  circular  to  oval  shape  due  to  circumferential shearing.  4. Casing  movement  has  little  influence  on  total  pressure  field  concerning  absolute  pressure  value. While total pressure loss does reduce slightly with increasing moving speed of shroud.  5.Vorticity  transport  from  tip  clearance  into  passage  may  be  contributing  significantly  to  generation of tip leakage vortex inner core.  Secondly, a simplified model of DBD plasma actuation based on literature [1] is derived and applied  through  UDF  function  of  commercial  software  Fluent  into  the  flow  field.  Different  actuation  positions,  voltages  and  frequencies  are  applied  in  simulation  and  compared.  After  that  casing  movement is included. Main conclusions are as follow:    6. Plasma  actuation  shows  significant  suppressing  effect  on  tip  leakage  vortex  on  both  size,  trajectory and strength.  7. The suppressing effect on tip leakage vortex grows stronger as actuator moves towards leading  edge.  8. Increasing actuation voltage results in stronger suppressing effect on tip leakage vortex.  9. Plasma actuation can effectively improve total pressure loss situation near shroud region with  increasing actuation power.  10. Increasing actuation frequency results in stronger suppressing effect on tip leakage vortex as  well. Additionally, frequency performs slightly better than voltage. 11. Casing  movement  tends  to  weaken  suppressing  effect  of  tip  leakage  vortex  by  plasma  actuation. More  actuation  power  is  needed  to  achieve  sufficient  suppressing  effect  in  real  compressors. / Som en av de viktigaste komponenterna i flygmotorer krävs det att kompressorn utsätts för högre  tryck, har högre effektivitet och  större driftsintervall. Intensiva  studier har gjorts om  skovlarnas  toppspel  läckageflöde  och  man  anser  att  det  är  mer  sannolikt  att  flygmotorer  uppnår  bättre  prestanda  och  tillförlitlighet  genom  att  på  ett  rimligt  sätt  reglera  läckageflödet  i  toppspelet.  Konventionella metoder  för reglering av flödet, som behandling av “casing” och mikrojet, skulle  kunna  ändra  läckageflödet  avsevärt,  men  medför  tyvärr  ytterligare  förlust,  för  att  inte  tala  om  svårigheten att tillverka en sådan struktur. Samtidig flödeskontroll med hjälp av plasma aktuatorer  som är relativt lätta att bygga, reagerar snabbt och har en bred excitationsbandvid. Denna metod  har blivit en ny trend inom det interna flödesaktiva kontrollområdet.  I  denna  forskning  antas  en  modell  för  att  simulera  plasmaaktivering  av  DBD  i  flödesfältet  i  en  kompressorskaskad. Man försöker ta reda på hur plasmaaktivering påverkar läckageflödet. Möjliga  sätt att förbättra effekten av plasmaaktivering diskuteras.  För  det  första  genomförs  numerisk  simulering  av  flödet  i  en  kompressorskaskad  utan  plasmaaktivering för att validera noggrannheten i den numeriska metoden. Därefter undersöks i  detalj vilken inverkan den relativa rörelsen av ”casing” har på läckageflödet genom toppspelet och  mekanismen för toppspelsvirvel analyseras. Resultaten visar:    1. Startposition för läckagevirveln rör sig mot skovelns framkant när man introducerar och ökar  den relativa hastigheten för ”casing”.    2. I takt med att den relativa hastigheten ökar, kretsbanan för    läckage virveln rör sig bort från  skovelns sugsida och närmare mot ”casing”.  3. Den  relativa  rörelsen  tenderar  att  omvandla  virveln  från  cirkulär  till  oval  form  på  grund  av  skjuvkrafter.  4. Den relativa rörelsen av ”casing” påverkar inte det totala tryckfältet när det gäller det absoluta  tryckvärdet. Samtidigt som den totala tryckförlusten minskar något med ökad hastighet.  5. Virveltransport från toppspelet till huvudkanalen kan på ett betydande sätt bidra till att skapa  virvelns inre kärna.  I senare delen av arbetet utvecklas och tillämpas en förenklad modell för plasmaaktivering av DBD  baserad  på  litteratur  [1],  genom  att  använda  UDF‐funktionen  i  kommersiell  CFD  programvara  Fluent.  Olika  aktuatorläge,  spänningar  och  frekvenser  prövas  i  simuleringen  och  jämförs.  De  viktigaste slutsatserna är följande:    6. Aktuering av plasma visar en betydande dämpningseffekt på läckagevirveln i toppspelet både  va det gäller dess storlek, bana och styrka.  7. Den  dämpande  effekten  på  läckagevirveln  blir  starkare  när  aktuator  monteras  närmare  skovelns framkant.  8. Ökad aktuatorspänning leder till en starkare dämpande effekt på läckagevirveln.  9. Ökad aktuatorfrekvens leder till starkare dämpningseffekt på läckagevortex också.mDessutom  fungerar frekvensen något bättre än spänningen.  10. Den  relativa  rörelsen  av  ”casing”  försvagar  effekten  av  plasmaaktuering.  För  att  uppnå  tillräcklig dämpningseffekt i riktiga kompressorer krävs mer effekt till aktuatorn.

No description available.