Numerical Modeling of Plasma Actuators for Flow Control

As aerodynamic flow control still remains one of the top subjects of research in the aerospace scientific world, new ways to perform such a control are being constantly studied. Microwave plasma discharges have been proposed as a mean of a non-intrusive flow control method based on the creation of hot spots of air (via the creation of plasma discharges) which can eventually interact with the external flow and modify its attributes in a beneficial way to the aerodynamic coefficients of the body of interest. Moreover, other types of plasma actuators, based on the momentum addition in the flow instead of heat, have been proven capable of positively modifying the flow aerodynamic features. Nevertheless, the development and optimization of such actuators, require further understanding of the basic multi-scale physics involved. Experiments can provide such information, but they turn to be costly and incapable of capturing the complex interactions in small space and time scales. In this thesis, we are interested in the numerical modeling of plasma flow control actuators, in order to understand deeper their nature and applicability. Firstly, we present the theory behind aerodynamic flow control and plasma physics along with a literature review of the plasma actuators’ physics, applicability and effects. Then, numerical simulations performed using adapted techniques for each different actuator, reveal interesting features of their physics and complex nature, on the way to a deeper understanding and possible optimization of their performance in aerodynamic flow control applications. Three types of plasma actuators are considered: Microwave Plasma Discharges (MPD), the Dielectric Barrier Discharge (DBD) and the Plasma Synthetic Jet (PSJ). Concerning microwave discharges, the objectives are more fundamental than the other types of actuators. Numerical simulations can provide the basic information on the physics and complex interaction between the EM waves the plasma and the gas, in order to understand the plasma creation, evolution and energy balance. Flow control applications of such discharges, as an energy deposition method, have been already quite well documented in the literature. In order to reduce the computational cost, a novel implicit coupling of the Maxwell equations with the momentum transfer equation for electrons has been developed which with the addition of a simplified model of plasma-fluid equations have enabled three-dimensional simulations in time domain. The microwave breakdown and evolution of the plasma due to the electromagnetic waves has been studied numerically, in order to quantify the energy absorbed by the plasma and transferred to neutral molecules as gas heating. Coupling of the EM-plasma model with an Eulerbased solver accounting for real gas effects, have revealed interesting features of the complex interaction between the plasma itself and the pressure shock waves formed due to the intense gas heating during the plasma breakdown and evolution. Concerning the two other groups of actuators, the goals of this thesis is more applied as we are interested mostly on modeling their operation and consequent momentum production. For the PSJ actuator, the numerical solver consists of three coupled numerical models: One describing theplasma formation between both electrodes in an axisymmetrical configuration, one describing the electrical supply by an external generator, and a last one that focuses on the air’s heating in the cylindrical cavity where the plasma is formed, and the actual operation of the actuator. It uses the energy distribution computed by the first sub-model as source term and calculates the jet’s flow mass rate, momentum and energy, exiting the cavity at high speeds. An external CFD solver is used to integrate the calculated momentum source term into a global model of a flat plate flow, taking into account turbulent effects. Lastly, the DBD actuator model, developed in DTIM/ONERA, Toulouse, consists of solving the momentum equations for a set of simplified species and the Poisson’s equation. The calculated body force produced by the DBD actuator is being compared with experimental results and the induced wall-jet flow due to this force is modeled in a CFD solver. A similar model developed in LAPLACE/UPS has been used to perform parametric studies on the influence of turbulence - studying different turbulent models in a RANS approach - as well as moreapplied simulations for flow control purposes, including laminar-turbulent transition over a flat plate and lift coefficient modification on an airfoil due to a leading edge DBD actuator. These studies offer new perspectives in the understanding and the optimization of plasma actuators for flow control purposes.
Cette thèse porte sur une nouvelle approche pour le contrôle d’écoulement aérodynamique. Cette nouvelle approche est basée sur l’utilisation d’actionneurs plasma. La modélisation numérique peut être une outil puissante entre les mains des scientifiques et des ingénieurs pour comprendre, optimiser et ainsi ouvrir la voie à la commercialisation et l’application de cette technologie. Le couplage entre l’électromagnétisme, le plasma et l’écoulement, nécessite des modèles et des techniques numériques avancées. Le travail présenté dans cette thèse, a pour principaux objectifs : le développement et la validation de méthodes numériques pour simuler efficacement le fonctionnement de certains des plus importants types d’actionneurs plasma. Nous nous sommes intéressés à trois types d’actionneurs plasma : les décharges micro-ondes, la décharge à barrière diélectrique (DBD) et le jet synthétique plasma (JSP).En ce qui concerne les décharges microondes, les objectifs sont plus fondamentaux que pour les autres types d’actionneurs. Il s’est agit de mieux comprendre la création du plasma, son évolution et de calculer l’efficacité énergétique de dispositifs microondes par la simulation numérique. Un schéma couplé implicite (ADI) - FDTD avec un modèle de plasma fluide simplifié est présenté. Cette formulation conserve la simplicité et la robustesse des systèmes de FDTD, tout en dépassant la barrière du critère de stabilité CFL. Elle conduit à un temps de calcul réduit et la possibilité de réaliser des simulations tridimensionnelles de la formation du plasma et de l’évolution d’un plasma dans un champ micro-ondes. Afin d’étudier l’énergie absorbée par le plasma et le transfert vers le gaz sous forme de chaleur ainsi que le changement consécutif de la densité du gaz, un solveur Euler a été couplé avec le modèle EM-plasma en tenant compte des effets de gaz réel. Diverses validations et applications sont ensuite étudiés. Des simulations tridimensionnelles de formation du plasma sont réalisée qui montrent la formation de structures dans une décharge micro-ondes librement localisée. Les effets de chauffage de gaz sur le développement d’un "streamer" et la durée d’un volume pré-ionisé avec des champs sous-critiques sont également calculés.En ce qui concerne les deux autres groupes d’actionneurs, les objectifs de cette thèse se concentrent sur la modélisation de leur fonctionnement et sur la production d’écoulement qui en résulte. Le Jet SynthétiquePlasma a été numériquement étudié par trois modèles couplés. Les résultats obtenus sont prometteurs pour l’optimisation du JSP et une meilleure compréhension des mécanismes qui limitent ses performances. L’actionneur DBD a été modélisée en utilisant deux solveurs différents basés sur des modèles physiques similaires - celui développé à l’ONERA et l’autre à LAPLACE. Des études paramétriques ont montré que les modèles donnent une estimation assez précise de la force produite par le DBD par rapport à des mesures expérimentales. Des applications aérodynamiques de contrôle d’écoulement ont démontré les effets possibles de ces actionneurs pour la transition laminaire - turbulente et l’amélioration de la portance. Ces travaux ouvrent une perspective nouvelle dans la conception et l’optimisation de ces actionneurs.