Effect of drag reducing plasma actuators using LES

• Main Author: Futrzynski, Romain
• Format: Doctoral Thesis
• Language: English
• Published: KTH, Farkost och flyg 2017
• Subjects: flow control; drag reduction; plasma actuator; DMD; LES; optimization; pulsating flow; strömningskontroll; motståndsminskning; plasmaaktuator; optimering; pulserande strömning
• Online Access: http://urn.kb.se/resolve?urn=urn:nbn:se:kth:diva-199873; http://nbn-resolving.de/urn:isbn:978-91-7729-261-6

The work performed in this thesis explores new ways of reducing the drag of ground vehicles. Specifically, the effect of plasma actuators are investigated numerically with the intention to delay separation around a half-cylinder, a geometry chosen to represent a simplified A-pillar of a truck. The plasma actuators have to be included in turbulent flow simulations. Therefore, emphasis is first put on finding a numerical model that can reproduce the effect of the plasma without increasing the computational cost. This effect is modeled through a body force term added to the Navier-Stokes equations. To determine the strength and spatial extent of this body force, optimization was performed to minimize the difference between experimental and simulated profiles of plasma induced velocity.  The plasma actuator model is thereafter used in Large Eddy Simulations (LES) of the flow around a half-cylinder at Reynolds number Re=65*10^3 and Re=32*10^3. Two types of actuation cases are performed. In the first case, a single actuator is used. In the second case, a pair of consecutive actuators are used, and their position on the half-cylinder is changed. It is found that a drag reduction of up to 10% is achievable. Moreover, the ideal location for actuation is determined to be near the separation point of the non-actuated flow.  Finally, dynamic mode decomposition (DMD) is investigated as a tool to extract coherent dynamic structures from a turbulent flow field. The DMD is first used to analyze a channel flow where pulsations are imposed at a known frequency. It is found that DMD gives similar results to phase averaging done at the oscillation frequency. However, the presence of turbulence noise hinders the ability to identify modes at higher harmonics. The DMD is also used to post-process the half-cylinder flow case. There, it is found that the spectrum of the wake is broadband. Nevertheless, modes within distinct frequency ranges are found to be located in distinct spatial regions. === Arbetet som utförts i denna avhandling undersöker nya sätt att minska luftmotstånd hos markfordon. Speciellt undersöks numeriskt effekten av plasmaaktuatorer med avsikten att uppnå fördröjd separation av strömningen kring en halvcylinder, en geometri vald för att representera en förenklad A-stolpe på en lastbil.  För att kunna utföra studien behöver plasmaaktuatorer kunna ingå i beräkningar av turbulenta strömningsfält. Därför undersöks först sätt för att hitta en numerisk modell som kan reproducera effekten av plasma utan att öka beräkningskostnad. Plasmaaktuatorn  modelleras i detta arbete genom att ett källterm adderas till Navier-Stokes ekvationer. För att bestämma styrkan och den rumsliga utbredningen hos källtermen, utförs en optimering för att minimera skillnaden mellan experimentella och simulerade profiler av plasma inducerad strömningshastighet.  Plasmaaktuatormodellen används därefter i Large Eddy Simulations (LES) för att beräkna strömningen kring en halvcylinder med Reynolds tal Re=65*10^3 och Re=32*10^3. Två typer av fall studeras. I det första fallet används en enda aktuator. I det andra fallet, är ett par på varandra följande aktuatorer placerade, där aktuatorernas position på halvcylinder ändras. Resultaten visar att en luftmotståndsminskning på upp till 10% kan erhållas. Den idealiska platsen för aktuatorn bedöms vara nära den punkt där strömningen utan aktuator separerar. Slutligen undersöks Dynamic Mode Decomposition (DMD) som ett verktyg för att extrahera koherenta dynamiska strukturer i en turbulent strömning. DMD används först för att analysera pulserande kanalströmning där pulsationen har en känd frekvens. Resultaten visar att DMD ger liknande resultat som då fas-medelvärdesbildning görs vid oscillationsfrekvensen. Förekomsten av turbulens buller hindrar dock möjligheten att identifiera moder vid högre övertoner. DMD används också för att analysera strömningen kring halv-cylindern. I avhandlingen visas att spektrat i vaken är bredbandigt men att även moder inom distinkta frekvensintervall fanns vara belägna i avgränsade områden i vaken. === <p>QC 20170117</p>