Density measurements in cold plasma discharges by Schlieren method

This thesis presents the investigation into the behaviour of the thermodynamic state vari- able density in the application of a dielectric barrier discharge (DBD) actuator by means of Schlieren experiments. The aim is to verify, to localize and quantify changes in den- sity for steady actuation of the DBD under quiescent conditions. Density distribution is required to derive accurate empirical and phenomenological models for the body force term exerted by the actuator on the flow, used as input in CFD simulations about plasma actuators. Schlieren experiments are carried out with two different orientations of light- cutoff in the focal point: The Schlieren method detects the partial derivative of density in the direction normal to the orientation of cutoff. By combining two Schlieren images, realized with horizontal and vertical cutoff, the gradient vector field could be obtained. The density gradient is a potential vector field, and the density is the scalar potential. The density distribution was retrieved from the gradient by the method of partial integration. Pictures were recorded with a resolution of 1392 × 1280 pixel, with two different magni- fications, 9.7 × 5.5 mm to capture the actual cause of density change, and 19.4 × 11 mm to capture the cause plus some effects downstream. The results show that the density diminishes for about 30 ± 10% in the immediate plasma zone. The diminished density zone gets elongated, spread out downstream by the momentum transfer causing the flow. The main cause for density change was identified as the heating of air, caused by the elevated temperature of the electrons present in the plasma.

L’obiettivo della tesi è investigare il comportamento della densità come variabile ter- modinamica nell’applicazione dell’attuatore dieletric barrier discharge (DBD) mediante il metodo sperimentale Schlieren. Lo scopo è quello di verificare, localizzare e quantifi- care il cambiamento nell’attuazione stazionaria del DBD in condizioni quiescenti. La densità è richiesta per dedurre modelli empirici e fenomenologici accurati per la forza esercitata dell’attuatore sul flusso, usato poi come dato d’immissione in simulazioni di fluidodinamica computazionale sugli attuatori. Gli esperimenti Schlieren sono stati effet- tuati con due orientazioni diverse di blocco (cutoff) della luce nel punto focale: Il metodo Schlieren è in grado di rilevare la derivata parziale della densità in direzione normale all’orientamento del blocco. Coniugando due immagini, realizzate con taglio orizzontale e verticale, è stato possibile ottenere il gradiente della densità. Il gradiente di densità è un campo vettoriale potenziale, la densità stessa è uno scalare potenziale. Attraverso un metodo d’integrazione parziale è stato ricavato il campo potenziale dello scalare den- sità. Le immagini sono state registrati con una risoluzione di 1392 × 1280 pixel, con due ingrandimenti: uno di 9.7 × 5.5 mm, per catturare l’origine del cambiamento di densità e uno di 19.4 × 11 mm per catturare la causa più alcuni degli effetti immediati a valle del plasma. I risultati rivelano che la densità cambia intorno al 30 ± 10% in prossimità immediata del plasma. L’area con densità diminuita si allunga ed estende a valle; ciò è dovuto al trasferimento di moto nel plasma che genera il flusso. Come causa principale per l’alterazione di densità è stato identificato il riscaldamento del fluido nella zona del plasma, dovuto alla temperatura elevata degli elettroni presenti nello stesso.