PIV characterization of a separated flow controlled by a DBD actuator

The aim of this thesis work is to characterise the three-dimensional effect of a plasma DBD actuator with exposed multi-tip geometry on a finite rectangular wing. This family of actuators has already proven effective in controlling separation and stall over an airfoil, but their interaction with the flow field up to now has been analysed only as two-dimensional. In this study six spanwise distributed sections are chosen and each of them is examined through a PIV measure to compare the plasma-off and plasma-on configurations. This allows to define the flow-actuator interaction in different flow conditions, outlining its three-dimensional behaviour. The experimental set-up of the tests has been the object of a previous study that led to the realization of a NACA0015 model with a 930mm span and a 310mm chord fitted to hold the actuator in correspondence of the leading edge. A dedicated power system has been designed and tuned to be capable of providing up to 14kVeff and 250W to the actuator. The actuator geometry has been optimised to improve its control capabilities. The complete model is mounted in the "Sergio De Ponte" wind tunnel in the aerodynamic laboratory of Politecnico to perform the PIV tests. Many measures have been collected, at various angles of attack and velocities, thus exploring different configurations and characterising the flow field behaviour over the wing span. The freestream velocities allowed to reach Reynolds number values of 800000, considered to be of aeronautical interest. The data collected during the test campaign have been analysed and post-processed obtaining informations on the flow field, with particular attention to the separation points and wake development. Their further elaboration allowed to estimate the lift increase and the actuator efficiency. The three-dimensional study indicates that an electrode of lower span could have very similar flow control capabilities with a lower power consumption.

Lo scopo di questo lavoro di tesi è la caratterizzazione tridimensionale dell'effetto di un attuatore al plasma di tipo DBD con geometria multi-punta su un ala rettangolare finita. Questo tipo di attuatore si è già dimostrato efficiente nel controllo di stallo di un profilo, ma la sua interazione con il flusso fino ad ora è stata analizzata solo come bidimensionale. In questo studio, sono scelte sei sezioni distribuite lungo l'apertura alare del modello e su ciascuna di esse viene condotta una analisi PIV del flusso ad attuatore acceso e spento. Questo permette di definire l'interazione attuatore-separazione al variare della geometria del flusso attorno all'ala. Il set-up sperimentale per condurre la prova è stato oggetto di un precedente lavoro di tesi che ha portato alla costruzione di un modello NACA0015 di apertura alare di 930mm e corda 310mm predisposto per accogliere l'attuatore in corrispondenza del suo bordo d'attacco. E' stato inoltre progettato un sistema di alimentazione dedicato capace di erogare fino a 14kVeff e 250W. La geometria dell'attuatore è stata ottimizzata per la specifica applicazione, in modo da migliorarne l'efficienza. Una volta completo, il modello è stato montato nella galleria del vento "Sergio De Ponte" per essere sottoposto alle prove PIV. Su questo set-up sono state condotte prove a diversi angoli di attacco e velocità, esplorando quindi numerose configurazioni aerodinamiche e caratterizzando il comportamento del flusso lungo tutta l'apertura alare. L'applicazione risulta essere di interesse aeronautico visto che il numero di Reynolds raggiunge il valore di 800000. I dati raccolti attraverso le misure PIV sono stati poi analizzati e post-processati ricavando informazioni relative al campo di moto, con particolare attenzione alla determinazione del punto di separazione e dello sviluppo della scia. Una loro successiva elaborazione ha consentito di ricavare informazioni sull'incremento della portanza e sull'efficienza dell'attuatore. Lo studio tridimensionale indica la possibilità ridurre la totale lunghezza dell'attuatore, mantenendo pressoché inalterate le sue capacità di controllo.