Modelagem numérica de atuadores de descarga de barreira dielétrica com base nas propriedades de baixa

Dec 03, 2023

Scientific Reports volume 12, Número do artigo: 10378 (2022) Citar este artigo

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Os sistemas eletrohidrodinâmicos de controle de fluxo provaram estar entre as estratégias de controle de fluxo mais promissoras nas décadas anteriores. Vários métodos para avaliação e descrição eficientes do efeito de tais sistemas estão disponíveis. No entanto, devido ao papel crítico desses sistemas em diversas aplicações, possíveis melhorias ainda são investigadas. Um novo modelo fenomenológico é apresentado para a simulação dos atuadores de plasma baseado nas propriedades eletrodinâmicas de plasmons de baixa frequência. O modelo simula a região plasmônica como um meio dispersivo. Essa energia dissipada é adicionada ao escoamento pela introdução de uma região de alta pressão, calculada em termos de vetores de força de corpo local, requerendo a distribuição do campo elétrico e do campo de polarização. O modelo determina o campo elétrico para o cálculo do vetor de força do corpo com base na equação de Poisson e implementa o modelo simplificado de Lorentz para o campo de polarização. Para explorar completamente o desempenho do modelo apresentado, um experimento foi realizado fornecendo uma comparação entre o efeito observado de atuadores de plasma no fluxo de fluido com os resultados previstos pelo modelo. O modelo é então validado com base nos resultados de outros experimentos distintos e modelos numéricos isentos, baseados na troca de momento com o fluido ambiente carregado de forma neutra, demonstrando que o modelo possui melhor adaptabilidade e capacidade de auto-ajuste em comparação com os modelos disponíveis.

Os sistemas eletrohidrodinâmicos de controle de fluxo provaram estar entre as estratégias de controle de fluxo mais promissoras nas décadas anteriores. Entre esses sistemas, os atuadores de plasma demonstraram ser eficazes em uma ampla variedade de aplicações, incluindo fins de controle de fluxo, fotônica e optoeletrônica, tecnologias de processamento de alimentos, tratamento de câncer e biotecnologia1,2,3,4,5,6. A literatura mostra um forte histórico, investigando e aprimorando a aplicabilidade e eficácia de diferentes métodos de controle de fluxo em vários campos de aplicação7,8,9,10,11,12,13,14,15,16. No entanto, um processo completo de desenvolvimento e teste é necessário para incorporar os sistemas resultantes em aplicativos reais. As simulações numéricas têm tradicionalmente tentado fornecer algoritmos avançados para projetar, simular e compreender sistemas complicados de controle de fluxo, pois a abordagem experimental requer várias iterações de tentativa e erro caras e demoradas. Vários métodos para avaliação e descrição eficientes do efeito de sistemas de descarga de barreira dielétrica (DBD) estão atualmente disponíveis na literatura. No entanto, devido ao papel crítico desses sistemas em muitos problemas de controle de fluxo, sempre vale a pena investigar possíveis melhorias e um algoritmo aprimorado é sempre bem-vindo.

Atualmente, existem três categorias de modelos para simulação de atuadores de plasma; modelos baseados em princípios fundamentais17,18,19,20,21, modelos empíricos22,23 e modelos fenomenológicos24,25,26,27,28. A fim de formar estruturas para metodologias baseadas em primeiros princípios, os modelos da primeira categoria tentam reproduzir os mecanismos físicos de um atuador de plasma, tanto do lado hidrodinâmico20,21,29,30 quanto do lado do plasma17,18,19. Portanto, esses modelos são necessários para considerar as equações de transporte para espécies carregadas e neutras, bem como a equação de Poisson para o campo elétrico e as equações de Navier-Stokes. Esses modelos são de maior precisão, exigindo custo e tempo computacional notáveis. A segunda categoria tenta impor uma descrição precisa da força corporal induzida de atuadores de plasma nas equações de momento. Esses modelos consideram o desenvolvimento de ferramentas práticas de modelagem para atuadores DBD para fins de design, controle e otimização rápidos. A categoria final de modelos usa conjuntos simplificados de equações diferenciais, resultando em simulações menos exigentes computacionalmente, considerando a contribuição da física com simplificações e mantendo um nível aceitável de precisão. Nos últimos anos, tem havido muita pesquisa sobre atuadores de plasma. Em primeiro lugar, o presente trabalho revisa algumas das pesquisas experimentais e numéricas isentas do passado sobre atuadores de plasma e, em seguida, discute pensamentos e fundamentos para entender melhor os mecanismos físicos subjacentes da interação do atuador com o fluxo e desenvolver uma nova metodologia prática para simular atuadores de plasma. Com base nas descrições acima sobre as diferentes categorias de modelos para simulação de atuadores de plasma, este estudo fornecerá um modelo fenomenológico para a simulação de atuadores de plasma de baixa frequência. No que continua, especificamente, serão estudados modelos fenomenológicos.