공기역학적 항력 저감을 위한 플라즈마 구동기의 반경험적 모델링 및 실험적 검증

Abstract

DBD 플라즈마 액츄에이터의 성능을 개선하기 위해서Floating electrode를 DBD 플라즈마 액츄에이터에 설치하였다. Floating electrode를 설치한 DBD 플라즈마 액츄에이터는 전압, 전극 수, 전극위치에 따라 일반적인 대칭형DBD 플라즈마 액츄에이터 성능 비교를 통해 검증하였다. 실험 결과를 통해 동일한 방전 전압에서 floating electrode는 DBD 플라즈마 액츄에이터의 성능을 증대 시키는 역할을 하게 되며, 전극 간격이 커지더라도 성능은 증대되었다. Floating electrode 전극의 위치는 최적의 위치가 존재하며, 유전체 하부표면에 불일 경우 성능이 증대되었으며 상부전극과의 적당한 거리를 가질 때 최적의 성능을 지녔다. 플라즈마를 이용한 공기저항저감을 위해 DBD(Dielectric Barrier Discharge) 플라즈마 액츄에이터를 설계하였고, 2D 시험모델의 풍동시험을 통해 항력저감을 측정하였다. 유동박리 억제를 위해 시험모델의 앞쪽과 뒤쪽의 경사면에 2세트의 DBD 플라즈마 액츄에이터를 각각 설치하였다. 풍속이 없는 경우에는 유동박리가 존재하지 않으므로 플라즈마 액츄에이터 통한 항력저감도 없었다. 반면 2m/s의 풍속에서는 항력이 9.7%까지 감소됨을 확인하였으며, 풍속이 증가할수록 항력저감 효과는 감소하였다. 실험을 통해 얻은 DBD 플라즈마 구동기의 유속과 CFD 해석을 통해 얻은 유속을 비교 분석하여 복잡한 전기장 방정식을 사용하지 않는 반경험적 2D 플라즈마 구동기 모델링을 제안하였다. 2D 플라즈마 구동기 모델은 전기바람(Electric wind)유동의 특성이 시험을 통해 얻은 플라즈마 구동기의 유동특성과 비슷한 경향성을 지녔으며, 방전 전압을 예측할 수 있었다. 플라즈마 구동기 모델을 2D 철도 시험모델에 적용하여 플라즈마 구동기 효과를 검증하였다. CFD 확인결과, 2 m/s 에서는 항력저감율은 20 % 였으며 유속이 증가함에 따라 항력 저감율은 감소하였다. 또한 CFD 해석을 통해 플라즈마 액츄에이터가 시험모델의 전단부보다 후단부의 후류 와류를 억제함에 따라 항력이 감소됨을 확인하였다.