université de montréal plasma actuation for boundary layer

UNIVERSIT DE MONTRAL

PLASMA ACTUATION FOR BOUNDARY LAYER

SEPARATION CONTROL IN ENGINE DUCTS

XIAOFEI XU

DPARTEMENT DE GNIE MCANIQUE

COLE POLYTECHNIQUE DE MONTRAL

THSE PRSENTE EN VUE DE LOBTENTION

DU DIPLME DE PHILOSOPHI DOCTOR (Ph.D.)

(GNIE MCANIQUE)

DCEMBRE 2011

Xiaofei Xu, 2011.

UNIVERSIT DE MONTRAL

COLE POLYTECHNIQUE DE MONTRAL

Cette thse intitule:

PLASMA ACTUATION FOR BOUNDARY LAYER

SEPARATION CONTROL IN ENGINE DUCTS

prsente par: XU, Xiaofei

en vue de lobtention du diplme de: Philosophi Doctor

a t dment accepte par le jury dexamen constitu de:

M. VTEL, Jrme, Ph.D., prsident

M. VO, Huu Duc, Ph.D., membre et directeur de recherche

M. MUREITHI, Njuki, Ph.D., membre et codirecteur de recherche

M. ZHANG, Xuefeng, Ph.D., membre et codirecteur de recherche

M. TRPANIER, Jean-Yves, Ph.D., membre

Mme. TSIFOURDARIS, Panagiota, Ph.D., membre externe

iii

Dedication

To my lovely wife Minxuan Wang

iv

Acknowledgements

The work reported in this thesis was performed in collaboration with the National Research

Council Gas Turbine Laboratory (NRC GTL) in Ottawa, as a part of the research project

Application of Plasma Actuation-Based Flow Control Technology Strategies for Gas Turbines.

Their generous financial support is highly appreciated.

During the course of my doctoral study, I have received continuous guidance and support

from my supervisors Professor Huu Duc Vo, Professor Njuki Mureithi and Dr. George Zhang. I

have also received considerable help from the members of the Wind Tunnel Laboratory at cole

Polytechnique de Montral and the NRC Gas Turbine Laboratory.

I am very pleased to acknowledge the assistance with the computational resources from Mr.

Omar Toukal, and the help from Mr. Sebastien Lemire for providing the body force field and

mapping it onto the CFD mesh. I am also particularly grateful to Mr. Philippe Versailles for

providing the test data for plasma actuation in quiescent air. The assistance from Mr. Shinya

Ueno and Mr. Kenny Huynh with the preliminary experimental setup at cole Polytechnique de

Montral is gratefully acknowledged.

The work at NRC GTL would have been impossible without the outstanding work of Dr.

Ali Mahallati and Mr. Paul Hunt on the 2-D experimental setup, and Mr. Bob McLaughlin for

building the new plasma actuation system. The great help of Dr. Shuzhen Hu and Dr. Yanfeng

Zhang in the work on inter-turbine ducts (ITDs) is also highly appreciated.

I reserve my deepest gratitude to my wife Minxuan Wang. Without her continuous support

and love this work would not have been successfully completed.

v

Rsum

Le dcollement de la couche limite turbulente est un problme important pour une multitude

d'applications, notamment pour les conduits en forme de S comme des entres dair non axiales

de moteurs davion et les conduits de transition entre les turbines (ITD) de ces moteurs. Le

dcollement de la couche limite turbulente dans les entres dair non axiales provoque une

distorsion de lcoulement entrant dans le moteur davion, ce qui dtriore la performance du

moteur et diminue la dure de vie de ses composantes. Dautre part, la conception du ITD est

susceptible de devenir plus agressive (ITD plus court) pour rpondre des exigences de poids, de

consommation de carburant et environnementales pour les nouveaux moteurs d'avion. Un design

plus agressif peut mener au dcollement de la couche limite turbulente causant des pertes de

pression. Pour empcher une rduction consquente de la performance du moteur, ce design

ncessiterait l'application de techniques de contrle de lcoulement. Diverses techniques ont t

tudies pour le contrle du dcollement de la couche limite, dont les gnrateurs de vortex, des

jets gnrateurs de vortex, et des jets synthtiques. L'avnement rcent des actionneurs plasma,

aussi connus sous le nom de Dielectric Barrier Discharge (DBD) peut potentiellement fournir

une mthode alternative plus efficace et robuste. Les actionneurs plasma convertissent

llectricit directement en quantit de mouvement du fluide. Compars d'autres techniques de

contrle de lcoulement, ces actionneurs lectriques dpourvus de pices mobiles ont un temps

de rponse rapide et sont simples, potentiellement robustes et faciles intgrer et ne perturbent

pas lcoulement lorsque non utiliss (presque ou sans intrusion dans lcoulement), ce qui les

rend idaux pour les applications arodynamiques.

Le prsent travail value lefficacit du concept dactionnement plasma pour supprimer le

dcollement de la couche limite turbulente dans des conduits en forme de S. Premirement, des

tudes numriques et exprimentales sur le contrle du dcollement de la couche limite

turbulente par actionnement plasma sont effectues sur des diffuseurs gnriques 2-D,

reprsentant des modles simplifis de conduits 3-D en forme de S. Les trouvailles des travaux

vi

numriques et exprimentales sont similaires. Les rsultats montrent que lactionnement plasma

peut rduire ou mme supprimer le dcollement de la couche limite turbulente dans les deux

modes dopration, soient en mode continu et en mode puls. L'efficacit du contrle (en termes

de rendement en pression) augmentent avec la force dactionnement. L'emplacement optimal de

lactionneur est gnralement proche et en amont du point de sparation de la couche limite. En

mode puls, la frquence optimale de pulsation correspond une frquence adimensionnelle

(base sur la vitesse de lcoulement principal et la longueur de dcollement de la couche limit)

de l'ordre de 1 et est gale (en dedans de la rsolution de mesure) la frquence dominante de

lcoulement dans la couche limite turbulente non actionne. Ce rsultat signifie que

lactionnement puls fonctionne par la rsonance des structures turbulentes dominantes

augmentant ainsi le taux de mlange et par consquent le transfert de quantit de mouvement

entre lcoulement haute vitesse plus loin de la surface et lcoulement basse vitesse prs de

la surface. La rduction du dcollement de la couche limite turbulente augmente avec le facteur

de cycle (pourcentage du cycle puls o lactionneur est allum). Cependant, pour un rendement

optimal en termes defficacit versus puissance consomme, le facteur de cycle doit tre choisi

entre 10% et 50%. En outre, lactionnement en mode puls la frquence de pulsation optimale

est plus efficace quen mode continu pour une puissance consomme similaire.

Guid par les rsultats des tudes sur les diffuseurs gnriques 2-D, des tudes numriques

et exprimentales sont effectues sur une conduite ITD pour dmonter lefficacit des

actionneurs plasma pour contrler le dcollement de la couche limite turbulente dans une

conduite 3-D en forme de S, du moins en mode continu. Les tendances en termes de linfluence

de la position de lactionneur et de la force dactionnement sur lefficacit (mesure par la

rduction de la perte de pression associe au dcollement de la couche limite turbulente) sont

consistantes avec celles des tudes de diffuseurs 2-D. De plus, des rgles de design prliminaires

empiriques pour actionnement plasma en mode continu obtenues avec les donnes de simulations

numriques de diffuseurs gnriques 2-D ont russi donner une prdiction approximative et

vii

conservative de la force dactionnement requise pour la suppression du dcollement de la couche

limite dans le ITD.

viii

Abstract

Turbulent boundary layer separation is an important problem for a variety of applications,

including S-shaped aircraft engine intakes and inter-turbine ducts (ITDs). Turbulent boundary

layer separation in the engine intakes causes inlet flow distortion, resulting in deteriorated engine

performance and reduced engine component life. The design of ITDs is likely to become more

aggressive in response to requirements for lighter, more efficient and environment-friendly

aircraft engines. Such aggressive ITDs would likely suffer large pressure losses due to turbulent

boundary layer separation leading to reduced engine performance, and therefore require the

application of flow control techniques. Various flow control techniques have been studied to

control turbulent boundary layer separation, such as vortex generators, vortex generator jets and

synthetic jets. The recent advent of dielectric barrier discharge (DBD) plasma actuators can

potentially provide a more effective and robust alternative. Plasma actuators convert electricity

directly into flow momentum near the surface through partial ionization of air. Compared to

other flow control techniques, these electrical solid-state actuators have fast response time and

are simple, potentially robust and easy to integrate and non-intrusive (low to zero protrusion),

which make them ideal for aerodynamic applications.

The present work studies the effectiveness of DBD plasma actuators in the suppression of

turbulent boundary layer separation in S-shaped engine ducts. First, numerical and experimental

studies on the control of turbulent boundary layer separation by plasma actuation are carried out

in 2-D generic diffusers, as simplified models of 3-D S-shaped engine ducts. The findings from

both CFD simulations and experi