JP6210615B2 - Jet control device using coaxial DBD plasma actuator - Google Patents
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Description
本発明は、噴流など気体の流れを制御することができる同軸型ＤＢＤプラズマアクチュエータを用いた噴流制御装置に関する。 The present invention relates to a jet control apparatus using a coaxial DBD plasma actuator capable of controlling a gas flow such as a jet.
近年、大気圧放電により生成されるＤＢＤプラズマを利用した流体制御技術 (ＤＢＤプラズマアクチュエータ)が大きな注目を集めている。噴流の初期領域においてプラズマを発生させ、その誘起流れを用いて速度変動を生じさせ、噴流の拡散制御等を試みている。 In recent years, fluid control technology (DBD plasma actuator) using DBD plasma generated by atmospheric pressure discharge has attracted much attention. Plasma is generated in the initial region of the jet, and velocity fluctuations are generated using the induced flow to attempt diffusion control of the jet.
図１９は、ＤＢＤプラズマアクチュエータの作動原理を示す断面図である。 FIG. 19 is a cross-sectional view showing the operating principle of the DBD plasma actuator.
このＤＢＤプラズマアクチュエータ１０１は、ポリイミド等の誘電体１０３の表裏壁面上に薄い外電極１０５，内電極１０７を配置し，裏面には放電を抑えるための絶縁層１０９による処理を施している。 In this DBD plasma actuator 101, thin outer electrodes 105 and inner electrodes 107 are disposed on the front and back wall surfaces of a dielectric 103 such as polyimide, and the back surface is treated with an insulating layer 109 for suppressing discharge.
高周波電圧を印加するとＤＢＤプラズマ１１１が外電極１０５のエッジ近傍から起こり、外電極１０５から内電極１０７に向かう向きに外力による誘起流れ (ブローイング力)１１３が発生する。 When a high frequency voltage is applied, the DBD plasma 111 is generated near the edge of the outer electrode 105, and an induced flow (blowing force) 113 is generated in the direction from the outer electrode 105 toward the inner electrode 107.
かかる原理を利用したものとして、特許文献１や非特許文献１等には、同軸方向に誘起流れを発生させるものが示されている。 As those using such a principle, Patent Document 1, Non-Patent Document 1, and the like show one that generates an induced flow in the coaxial direction.
図２０は、向心型ＤＢＤプラズマアクチュエータ及び噴流制御装置を示す概略図、図２１は、電極を示す分解斜視図である。 FIG. 20 is a schematic view showing a centripetal DBD plasma actuator and a jet flow control device, and FIG. 21 is an exploded perspective view showing electrodes.
この向心型ＤＢＤプラズマアクチュエータ１１５は、誘電体１１６を挟んでリング状の表面電極１１７（外電極）とドーナツ型の裏面電極１１９（内電極）とが配置され、この表面電極１１７と裏面電極１１９とがノズル１２１の出口に取り付けられ、電極１１７、１１９に電源１２３が接続されて噴流制御装置１２４が構成されている。 In this centripetal DBD plasma actuator 115, a ring-shaped surface electrode 117 (outer electrode) and a donut-shaped back electrode 119 (inner electrode) are arranged with a dielectric material 116 interposed therebetween, and the surface electrode 117 and the back electrode 119 are arranged. Are attached to the outlet of the nozzle 121, and a power source 123 is connected to the electrodes 117 and 119 to constitute a jet flow control device 124.
電源１２３により高周波電圧を印加すると表面電極１１７の内径側エッジ近傍にＤＢＤプラズマが生成され、内径側エッジ全ての近傍から中心へ向かう誘起流れ１２５が形成される。この誘起流れ１２５は、ノズル１２１から噴出される主噴流１２７に衝突して向きを変えることになる。 When a high frequency voltage is applied by the power supply 123, DBD plasma is generated near the inner diameter side edge of the surface electrode 117, and an induced flow 125 is formed from the vicinity of all the inner diameter side edges toward the center. The induced flow 125 collides with the main jet 127 ejected from the nozzle 121 and changes its direction.
したがって、向心型ＤＢＤプラズマアクチュエータ１１５によりノズル１２１から噴出される主噴流１２７の拡散制御を行わせることができる。 Therefore, the diffusion control of the main jet 127 ejected from the nozzle 121 by the centripetal DBD plasma actuator 115 can be performed.
しかし、向心型ＤＢＤプラズマアクチュエータ１１５の場合は、ノズル１２１の出口に平面的に備えられるため、電極の設置にノズル１２１回りの面積を必要とし、複数並列ノズル等の場合には設置が困難であるか、全体が大型化するという問題があり、設計の自由度に制限があった。 However, in the case of the centripetal DBD plasma actuator 115, since it is provided in a planar manner at the outlet of the nozzle 121, an area around the nozzle 121 is required for the installation of the electrode, and in the case of a plurality of parallel nozzles, etc. There was a problem that the whole was enlarged, and there was a limit to the degree of freedom of design.
また、向心型では、中心へ向かうＤＢＤプラズマにより、主にノズル１２１の周囲から主噴流１２７に衝突するように誘起流れ１２５が発生するため、主噴流１２７の拡散制御に関して自由度が得られないという問題もある。 Further, in the centripetal type, the induced flow 125 is generated so as to collide with the main jet 127 mainly from the periphery of the nozzle 121 due to the DBD plasma toward the center, and thus there is no degree of freedom regarding the diffusion control of the main jet 127. There is also a problem.
解決しようとする問題点は、設計の自由度に制限があると共に、噴流の拡散制御に関しては、自由度が得られない点である。 The problems to be solved are that the degree of freedom of design is limited and the degree of freedom cannot be obtained with respect to jet diffusion control.
本発明の同軸型ＤＢＤプラズマアクチュエータを用いた噴流制御装置は、同軸型ＤＢＤプラズマアクチュエータをノズルの噴流出口側に用いた噴流制御装置であって、前記同軸型ＤＢＤプラズマアクチュエータは、円筒状の誘電体を挟んで同軸に各別に形成された内周面側の外電極及び外周面側の内電極を備え、前記内周面側の外電極は、前記円筒状の誘電体の一端に設けられ、前記外周面側の内電極は、前記円筒状の誘電体の軸方向に前記外電極から離間して設けられ、前記外電極及び内電極への電圧の印加により発生するプラズマを利用して誘起流れを発生させ前記ノズルから噴出する噴流を拡散制御することを特徴とする。 The jet flow control device using the coaxial DBD plasma actuator of the present invention is a jet control device using the coaxial DBD plasma actuator on the jet outlet side of the nozzle, and the coaxial DBD plasma actuator is a cylindrical dielectric. An inner electrode on the inner peripheral surface side and an inner electrode on the outer peripheral surface side that are separately formed coaxially with respect to each other, and the outer electrode on the inner peripheral surface side is provided at one end of the cylindrical dielectric, The inner electrode on the outer peripheral surface side is provided apart from the outer electrode in the axial direction of the cylindrical dielectric, and induces an induced flow using plasma generated by applying a voltage to the outer electrode and the inner electrode. It is characterized by controlling the diffusion of the jet generated and ejected from the nozzle.
本発明の同軸型ＤＢＤプラズマアクチュエータは、上記構成であるから、プラズマの強さを変更するために電極の長さ等を変更しても外径の変化は抑制されるから、設計の自由度を得ることができる。 Since the coaxial DBD plasma actuator of the present invention has the above-described configuration, the change in the outer diameter is suppressed even if the electrode length or the like is changed in order to change the plasma strength. Can be obtained.
本発明の噴流制御装置は、プラズマによる誘起流れを円筒状の誘電体の内面に沿って主噴流の流れ方向に形成することができ、電圧の大きさ、周波数制御によりプラズマによる誘起流れの強さを変更すると共に、周辺速度に対して中心平均速度を減速させるなど噴流の拡散制御の自由度を拡げることができる。 The jet control device of the present invention can form an induced flow caused by plasma in the flow direction of the main jet along the inner surface of a cylindrical dielectric, and the intensity of the induced flow caused by plasma can be controlled by controlling the magnitude and frequency of the voltage. In addition, the degree of freedom in jet diffusion control can be expanded by reducing the center average speed relative to the peripheral speed.
設計の自由度を得るという目的を、円筒状の誘電体を挟んで内外周面に各別に形成された外電極及び内電極に、電圧を印加することにより実現した。 The purpose of obtaining a degree of freedom in design was realized by applying a voltage to the outer electrode and the inner electrode separately formed on the inner and outer peripheral surfaces with a cylindrical dielectric interposed therebetween.
噴流の拡散制御に関し、自由度を得るという目的を、同軸型ＤＢＤプラズマアクチュエータを、ノズルの噴流出口側に接合させることにより実現した。 With respect to jet diffusion control, the objective of obtaining a degree of freedom was realized by joining a coaxial DBD plasma actuator to the jet outlet side of the nozzle.
［同軸型ＤＢＤプラズマアクチュエータ及び噴流制御装置］
図１は本発明の実施例に係り、同軸型ＤＢＤプラズマアクチュエータ及び噴流制御装置の概略図である。
[Coaxial DBD Plasma Actuator and Jet Control Device]
FIG. 1 is a schematic diagram of a coaxial DBD plasma actuator and a jet control device according to an embodiment of the present invention.
図１のように、同軸型ＤＢＤプラズマアクチュエータ１をノズル３の噴流出口側に取り付けて噴流制御装置５を構成している。 As shown in FIG. 1, the coaxial DBD plasma actuator 1 is attached to the jet outlet side of the nozzle 3 to constitute the jet control device 5.
同軸型ＤＢＤプラズマアクチュエータ１は、円筒状の誘電体７を挟んで内外周面に各別に薄い外電極としての内周電極９及び内電極としての外周電極１１が同軸に形成されている。この場合、円筒状の誘電体７の内周側の内周電極９を外電極とするのは、プラズマが発生する側を外とするためである。 In the coaxial DBD plasma actuator 1, an inner peripheral electrode 9 as a thin outer electrode and an outer peripheral electrode 11 as an inner electrode are coaxially formed on inner and outer peripheral surfaces with a cylindrical dielectric 7 interposed therebetween. In this case, the reason why the inner peripheral electrode 9 on the inner peripheral side of the cylindrical dielectric body 7 is the outer electrode is that the side on which the plasma is generated is outer.
誘電体７は、誘電体バリア放電 (DBD: dielectric barrier discharge)を発生させるために、テフロン（登録商標）、ポリイミド等により形成されている。この誘電体７は、円筒部１３の一端に相対的に厚肉のフランジ部１５を備えている。フランジ部１５の端面内周縁側に、周回状の凹部１７が設けられている。 The dielectric 7 is made of Teflon (registered trademark), polyimide, or the like in order to generate a dielectric barrier discharge (DBD). The dielectric 7 has a relatively thick flange portion 15 at one end of the cylindrical portion 13. A circular recess 17 is provided on the inner peripheral edge of the flange portion 15.
内周電極９は、フランジ部１５の内周面側から端面にかけて設けられ、内周部１９側が凹部１７に設けられて内面１９ａが円筒部１３の内面１３ａと面一に形成されている。内周電極９には、遮熱コーティング層を形成することもできる。 The inner peripheral electrode 9 is provided from the inner peripheral surface side to the end surface of the flange portion 15, the inner peripheral portion 19 side is provided in the concave portion 17, and the inner surface 19 a is formed flush with the inner surface 13 a of the cylindrical portion 13. A thermal barrier coating layer can also be formed on the inner peripheral electrode 9.
外周電極１１は、本実施例において、円筒部１３の外周面側で外周面側全体に設けられている。 In the present embodiment, the outer peripheral electrode 11 is provided on the entire outer peripheral surface side on the outer peripheral surface side of the cylindrical portion 13.
同軸型ＤＢＤプラズマアクチュエータ１の外面には、放電を抑えるために絶縁処理が施される。 The outer surface of the coaxial DBD plasma actuator 1 is subjected to an insulation process in order to suppress discharge.
内周電極９及び外周電極１１には、電源２１が接続されている。 A power supply 21 is connected to the inner peripheral electrode 9 and the outer peripheral electrode 11.
ノズル３は、アクリル製軸対称速度均一ノズルである。このノズル３の噴流出口側に同軸型ＤＢＤプラズマアクチュエータ１のフランジ部１５側が接合されている。 The nozzle 3 is an acrylic axisymmetric speed uniform nozzle. The flange portion 15 side of the coaxial DBD plasma actuator 1 is joined to the jet outlet side of the nozzle 3.
電源２１により内周電極９及び外周電極１１に電圧を印加すると、内周電極９のエッジ部近傍にＤＢＤプラズマ２３が生成される。 When a voltage is applied to the inner peripheral electrode 9 and the outer peripheral electrode 11 by the power source 21, DBD plasma 23 is generated near the edge portion of the inner peripheral electrode 9.
ＤＢＤプラズマ２３により誘起流れ２５が円筒状の誘電体７の円筒部１３の内面１３ａに沿って主噴流２７の流れ方向に形成される。 The induced flow 25 is formed by the DBD plasma 23 in the flow direction of the main jet 27 along the inner surface 13 a of the cylindrical portion 13 of the cylindrical dielectric 7.
印加する電圧の大きさ、周波数制御によりＤＢＤプラズマ２３による誘起流れの強さを変更し、噴流の拡散の程度を自由に変えることができる。 The intensity of the induced flow caused by the DBD plasma 23 can be changed by controlling the magnitude and frequency of the applied voltage, and the degree of jet diffusion can be freely changed.
［噴流制御装置の実験装置］
図２は、同軸型ＤＢＤプラズマアクチュエータの寸法例を示す断面図、図３は、噴流制御装置の実験装置の概略図である。
[Experimental equipment for jet control device]
FIG. 2 is a cross-sectional view showing a dimension example of the coaxial DBD plasma actuator, and FIG. 3 is a schematic view of an experimental apparatus for the jet flow control apparatus.
銅製の内周電極９、外周電極１１の厚さは共に０．５ｍｍ、ポリイミド製の誘電体７の厚さは１．０ｍｍである。この同軸型ＤＢＤプラズマアクチュエータ１を内径ｄ＝１０ｍｍのアクリル製軸対称速度均一ノズル３に取り付けた。 The thicknesses of the copper inner peripheral electrode 9 and the outer peripheral electrode 11 are both 0.5 mm, and the thickness of the polyimide dielectric 7 is 1.0 mm. The coaxial DBD plasma actuator 1 was attached to an acrylic axisymmetric speed uniform nozzle 3 having an inner diameter d = 10 mm.
電源２１(PSI製:PSI-PG1040F)より印加電圧２ｋＶ〜６ｋＶ、周波数４ｋＨｚ〜１５ｋＨｚの交流電圧を加えてプラズマを発生させ、ノズル３から噴出する噴流の拡散制御を試みた。 Plasma was generated by applying an AC voltage of 2 kV to 6 kV and a frequency of 4 kHz to 15 kHz from a power source 21 (PSI: PSI-PG1040F), and diffusion control of a jet flow ejected from the nozzle 3 was attempted.
実験では空気を圧縮機２９からノズル３に供給し、Re=１０００（２．３ｍ／ｓ）の条件で実験を行った。噴流の可視化のためには、パーティクルジェネレータ３０により１μｍ程度のシード粒子 (オンジナオイル)を空気に混入させている。このシード粒子混入空気をノズル３より大気中、鉛直上方に噴出し、Ｎｄ:ＹＡＧレーザ３１(Omicron製:LA-D40-CW, λ=532 nm)を用いたレーザライトシート法により噴流軸中心上を可視化した。そして、ハイスピードカメラ３３(Photron製: FASTCAMSA1.1)を用いて噴流の初期領域：ｘ／ｄ＝６までの影響を撮影した。 In the experiment, air was supplied from the compressor 29 to the nozzle 3 and the experiment was performed under the condition of Re = 1000 (2.3 m / s). In order to visualize the jet, seed particles (ondina oil) of about 1 μm are mixed into the air by the particle generator 30. This seed particle mixed air is jetted vertically upward from the nozzle 3 in the atmosphere, and is centered on the jet axis by a laser light sheet method using an Nd: YAG laser 31 (Omicron: LA-D40-CW, λ = 532 nm). Was visualized. Then, a high-speed camera 33 (Photron: FASTCAMSA1.1) was used to photograph the influence of the jet region up to the initial region: x / d = 6.
ここで、図４は、測定座標の設定に係わる可視化画像の一例を示し、ｘは、ノズル３の中心軸上の出口から噴出方向の距離、ｙは、ノズル３中心から直径方向の距離を示す。速度分布の解析は、ＰＩＶ解析により行った。 Here, FIG. 4 shows an example of a visualized image related to the setting of measurement coordinates, where x is the distance in the ejection direction from the outlet on the central axis of the nozzle 3, and y is the distance in the diameter direction from the center of the nozzle 3. . The analysis of the velocity distribution was performed by PIV analysis.
図５は、電圧変化と噴流の拡散との関係の可視化画像である。Re＝１０００のプラズマを発生させない場合（ＯＦＦ)の可視化画像と周波数を４ｋＨｚに固定し電圧を変化させた場合の可視化画像を示す。ＯＦＦと電圧が３．３８ｋＶの場合とを比較すると拡散効果は見られない。電圧を４．７５ｋＶ、５．５９ｋＶと高くするにつれ誘起流れが主噴流に渦輪を発生させ、ｘ／ｄ＝４の位置で拡散している。これは電圧が高くなることでプラズマによって発生する誘起流れが増加し、主噴流に与える乱れが大きくなるからと考えられる。 FIG. 5 is a visualized image of the relationship between voltage change and jet diffusion. The visualization image when Re = 1000 plasma is not generated (OFF) and the visualization image when the frequency is changed while the frequency is fixed to 4 kHz are shown. When comparing OFF with a voltage of 3.38 kV, no diffusion effect is seen. As the voltage is increased to 4.75 kV and 5.59 kV, the induced flow generates a vortex ring in the main jet and diffuses at a position of x / d = 4. This is thought to be because the induced flow generated by the plasma increases as the voltage increases, and the turbulence given to the main jet increases.
図６は、電圧の周波数変化と噴流の拡散との関係の可視化画像である。図中の線は噴流が乱れ始める位置を示す。 FIG. 6 is a visualized image of the relationship between voltage frequency change and jet diffusion. The line in the figure indicates the position where the jet starts to be disturbed.
図６のように、周波数が高くなるにつれ主噴流の拡散が大きくなり、乱れる位置が噴出口に近くなった。このことから周波数を高くすることで発生する誘起流れが電圧を変えた場合よりも速いため、主噴流に与える影響が強く表れているからだと考えられる。 As shown in FIG. 6, the diffusion of the main jet increased as the frequency increased, and the turbulent position became closer to the jet outlet. From this, it is considered that the influence on the main jet appears strongly because the induced flow generated by increasing the frequency is faster than when the voltage is changed.
図７は、電圧の周波数変化と噴流の速度分布との関係を示すグラフである。ｘ／ｄ＝１の位置のプラズマを発生させない場合の速度分布図と５．５ｋＶ付近の電圧で周波数を変えた場合の速度分布図を示す。ここで、u0はプラズマを発生させない場合のｘ／ｄ＝１の中心平均速度を表す。 FIG. 7 is a graph showing the relationship between voltage frequency change and jet velocity distribution. A velocity distribution diagram when the plasma at the position of x / d = 1 is not generated and a velocity distribution diagram when the frequency is changed with a voltage in the vicinity of 5.5 kV are shown. Here, u 0 represents the center average speed of x / d = 1 when no plasma is generated.
図７のように、プラズマを発生させない場合に比べて発生させている場合は周波数が高くなるにつれｙ／ｄ＝±０．４ 付近の噴流の速度が速くなり、それに伴い中心平均速度が遅くなった。これはプラズマの発生によって生じた誘起流れによりｙ／ｄ＝±０．４付近の流れが加速したためである。また中心平均速度が減速したのは噴出させる流量が一定のため、ｙ／ｄ＝±０．４付近の流れが加速した分だけ減速したからだと考えられる。 As shown in FIG. 7, when the plasma is not generated, the velocity of the jet near y / d = ± 0.4 increases as the frequency increases, and the center average velocity decreases accordingly. It was. This is because the flow in the vicinity of y / d = ± 0.4 is accelerated by the induced flow generated by the generation of plasma. The central average speed is decelerated because the flow rate to be ejected is constant, and the flow near y / d = ± 0.4 is decelerated by the acceleration.
以上より、同軸型ＤＢＤプラズマアクチュエータ１を用いた噴流制御装置５により、次の結果を得ることができた。 From the above, the following result could be obtained by the jet flow control device 5 using the coaxial DBD plasma actuator 1.
周波数を固定し電圧を上げていくことで主噴流への拡散効果が大きくなった。 The effect of diffusion into the main jet was increased by fixing the frequency and increasing the voltage.
周波数を上げると主噴流への拡散効果が大きくなった。 Increasing the frequency increased the diffusion effect on the main jet.
周波数を上げることで主噴流の乱れる位置が噴出口に近くなった。 By increasing the frequency, the position where the main jet was disturbed became closer to the jet outlet.
プラズマを発生させた場合、ｙ／ｄ＝±０．４付近の流れの速度が速くなり、中心速度はプラズマを発生させていない場合より遅くなる速度分布図となった。 When plasma was generated, the flow velocity near y / d = ± 0.4 was increased, and the center velocity became a velocity distribution diagram that was slower than when plasma was not generated.
したがって、これらの知見を考慮して、主噴流の拡散制御を自由度を持って行わせることができる。 Therefore, in consideration of these findings, the diffusion control of the main jet can be performed with a degree of freedom.
［各電極の寸法等の相違との関係］
図８は、内電極の長さを変更したもので、（Ａ）は、内電極長さ６ｍｍ、（Ｂ）は、内電極長さ１０ｍｍ、（Ｃ）は、内電極長さ２０ｍｍの同軸型ＤＢＤプラズマアクチュエータを示す断面図、図９は、内電極長さの相違と噴流の拡散との関係の可視化画像、図１０は、内電極長さの相違に応じたＰＩＶ解析画像、図１１（Ａ）〜（Ｆ）は、内電極長さの相違とｘ／ｄ（＝０．５、１．０、２．０、３．０、４．０、５．０）における速度分布との関係のグラフ、図１２は、内電極長さの相違とｘ／ｄ＝３における速度分布との関係のグラフである。
[Relationship with differences in dimensions of each electrode]
FIG. 8 shows a change in the length of the inner electrode. (A) is an inner electrode length of 6 mm, (B) is an inner electrode length of 10 mm, and (C) is a coaxial type having an inner electrode length of 20 mm. FIG. 9 is a cross-sectional view showing a DBD plasma actuator, FIG. 9 is a visualized image of the relationship between the difference in inner electrode length and jet diffusion, FIG. 10 is a PIV analysis image corresponding to the difference in inner electrode length, and FIG. ) To (F) are the relationship between the difference in inner electrode length and the velocity distribution at x / d (= 0.5, 1.0, 2.0, 3.0, 4.0, 5.0). FIG. 12 is a graph showing the relationship between the difference in inner electrode length and the velocity distribution at x / d = 3.
図８のように、（Ａ）の同軸型ＤＢＤプラズマアクチュエータ１Ａは、内電極である外周電極１１Ａを、軸方向長さ６ｍｍとし、端部をフランジ部１５側に接するように配置した。（Ｂ）の同軸型ＤＢＤプラズマアクチュエータ１Ｂは、内電極である外周電極１１Ｂを、軸方向長さ１０ｍｍとし、同様に端部をフランジ部１５側に接するように配置した。（Ｃ）の同軸型ＤＢＤプラズマアクチュエータ１Ｃは、内電極である外周電極１１Ｃを、軸方向長さ２０ｍｍとし、同様に端部をフランジ部１５側に接するように配置した。その他の寸法は、図中に記載した。 As shown in FIG. 8, in the coaxial DBD plasma actuator 1A shown in FIG. 8A, the outer peripheral electrode 11A that is the inner electrode has an axial length of 6 mm and the end is in contact with the flange portion 15 side. In the coaxial DBD plasma actuator 1B of (B), the outer peripheral electrode 11B which is an inner electrode has an axial length of 10 mm, and is similarly disposed so that the end portion is in contact with the flange portion 15 side. In the coaxial DBD plasma actuator 1C of (C), the outer peripheral electrode 11C that is an inner electrode has an axial length of 20 mm, and is similarly disposed so that the end thereof is in contact with the flange portion 15 side. Other dimensions are shown in the figure.
これら同軸型ＤＢＤプラズマアクチュエータ１Ａ，１Ｂ，１Ｃにおいて、前記同様に実験を行い、図９の可視化画像及び図１０のＰＩＶ解析画像を得た。 In these coaxial DBD plasma actuators 1A, 1B, and 1C, an experiment was performed in the same manner as described above, and a visualized image in FIG. 9 and a PIV analysis image in FIG. 10 were obtained.
図９のように、外周電極１１Ａ，１１Ｂ，１１Ｃの寸法の相違により噴流拡散の状況に相違がみられ、長さ６ｍｍの外周電極１１Ａ、長さ２０ｍｍの外周電極１１Ｃの場合に、長さ１０ｍｍの外周電極１１Ｂの場合よりも、噴流拡散の程度が増した。 As shown in FIG. 9, there is a difference in the state of jet diffusion due to the difference in the dimensions of the outer peripheral electrodes 11A, 11B, and 11C. In the case of the outer peripheral electrode 11A having a length of 6 mm and the outer peripheral electrode 11C having a length of 20 mm, The degree of jet diffusion increased compared to the case of the outer peripheral electrode 11B.
図１０のように、どの電極においてもノズル出口付近の噴流せん断層（矢印）において誘起流れによる増速効果が確認できた。長さ６ｍｍの外周電極１１Ａ、長さ２０ｍｍの外周電極１１Ｃの場合には、特に増速効果が大きいことが確認できた。このことより、誘起流れに適した電極寸法の存在を確認することができた。 As shown in FIG. 10, in any electrode, the speed increasing effect by the induced flow was confirmed in the jet shear layer (arrow) near the nozzle outlet. In the case of the outer peripheral electrode 11A having a length of 6 mm and the outer peripheral electrode 11C having a length of 20 mm, it was confirmed that the speed increasing effect was particularly great. This confirmed the existence of electrode dimensions suitable for the induced flow.
図１１（Ａ）〜（Ｆ）のように、内電極長さの相違６ｍｍ、１０ｍｍ、２０ｍｍと各ｘ／ｄ＝０．５、１．０、２．０、３．０、４．０、５．０における速度分布との関係が得られた。このうち、特に図１２のように、ｘ／ｄ＝３に着目した。 As shown in FIGS. 11A to 11F, the difference between the inner electrode lengths is 6 mm, 10 mm, and 20 mm, and x / d = 0.5, 1.0, 2.0, 3.0, 4.0, A relationship with the velocity distribution at 5.0 was obtained. Of these, attention was paid particularly to x / d = 3 as shown in FIG.
中心速度では、プラズマを発生させない場合が一番速く、その次に長さ１０ｍｍの外周電極１１Ｂの場合となり、長さ６ｍｍ、２０ｍｍの外周電極１１Ａ、１１Ｃの場合が一番遅くほぼ同一の速度となった。 The center speed is the fastest when no plasma is generated, followed by the outer peripheral electrode 11B having a length of 10 mm, and the outer peripheral electrodes 11A and 11C having a length of 6 mm and 20 mm are the slowest and substantially the same speed. became.
このことから、内電極（外周電極）が長いほど誘起流れが強くなるという訳ではなく、誘起流れの効果が適切に働く内電極（外周電極）の長さが存在することを確認した。 From this, it was confirmed that the longer the inner electrode (outer peripheral electrode), the stronger the induced flow, and the presence of the length of the inner electrode (outer peripheral electrode) in which the effect of the induced flow works properly.
誘電体を厚くすることで高電圧、高周波数に共に耐えることができる。また、高電圧、高周波数にすることで誘起流れを強くすることができる。したがって、用途に応じ、誘電体の厚さを適宜選択することで、所望の制御を行わせ得る。この場合、電極の長さ寸法の選択と共に誘電体の厚さ寸法を選択することで、同軸型ＤＢＤプラズマアクチュエータ１，１Ａ，１Ｂ，１Ｃの全体寸法の増大を抑制することができ、寸法的にも設計の自由度が増大する。 By making the dielectric thick, it can withstand both high voltage and high frequency. Moreover, the induced flow can be strengthened by using a high voltage and a high frequency. Therefore, desired control can be performed by appropriately selecting the thickness of the dielectric according to the application. In this case, by selecting the length of the dielectric and the thickness of the dielectric, the increase in the overall dimensions of the coaxial DBD plasma actuators 1, 1A, 1B, and 1C can be suppressed. However, the degree of design freedom increases.
［作用効果］
本願発明実施例の同軸型ＤＢＤプラズマアクチュエータ１は、円筒状の誘電体７を挟んで内外周面に同軸に各別に形成された内周電極９及び外周電極１１に、電圧を印加することにより内周電極９からＤＢＤプラズマ２３を発生させる。
[Function and effect]
The coaxial DBD plasma actuator 1 according to the embodiment of the present invention is configured such that a voltage is applied to an inner peripheral electrode 9 and an outer peripheral electrode 11 that are separately formed coaxially on the inner and outer peripheral surfaces with a cylindrical dielectric 7 interposed therebetween. DBD plasma 23 is generated from the peripheral electrode 9.
したがって、ＤＢＤプラズマ２３により誘起流れ２５が円筒状の誘電体７の円筒部１３の内面１３ａに沿って主噴流２７の流れ方向に形成され、噴流の制御等に用いることができる。 Therefore, the induced flow 25 is formed by the DBD plasma 23 in the flow direction of the main jet 27 along the inner surface 13a of the cylindrical portion 13 of the cylindrical dielectric 7 and can be used for controlling the jet.
内電極である外周電極１１の長さ等を変更して噴流拡散の程度、速度分布を変えても、外径の変化は抑制されるから、設計の自由度を得ることができる。このため、ノズル３が複数同軸ノズルであっても、全体を大型化せずに無理なく設計変更を行わせることができる。 Even if the length or the like of the outer peripheral electrode 11 as the inner electrode is changed to change the degree of jet diffusion and the velocity distribution, the change in the outer diameter is suppressed, so that a degree of freedom in design can be obtained. For this reason, even if the nozzle 3 is a plurality of coaxial nozzles, the design can be changed without difficulty without increasing the overall size.
同軸型ＤＢＤプラズマアクチュエータ１を用いた噴流制御装置５であって、同軸型ＤＢＤプラズマアクチュエータ１のフランジ部１５側を、ノズル３の噴流出口側に接合させた。 In the jet flow control device 5 using the coaxial DBD plasma actuator 1, the flange portion 15 side of the coaxial DBD plasma actuator 1 is joined to the jet outlet side of the nozzle 3.
ＤＢＤプラズマによる誘起流れを円筒状の誘電体７の内面１３ａに沿って主噴流２７の流れ方向に形成することができ、電圧の大きさ、周波数制御によりＤＢＤプラズマ２３による誘起流れの強さを変更して拡散効果を変えることができる。 The induced flow caused by the DBD plasma can be formed in the flow direction of the main jet 27 along the inner surface 13a of the cylindrical dielectric 7, and the strength of the induced flow caused by the DBD plasma 23 can be changed by controlling the magnitude and frequency of the voltage. The diffusion effect can be changed.
また、周波数が高くなることに応じて、周辺速度に対して中心平均速度を減速させるなど噴流の拡散制御の自由度を拡げることができる。 In addition, the degree of freedom of jet diffusion control can be expanded, for example, by decelerating the center average speed relative to the peripheral speed as the frequency increases.
［その他、］
ノズル３の出口形状は、円形に限らず、三角形、楕円など、他の形状であっても取り付けが可能であり、同様に実施することができる。
[Others]
The outlet shape of the nozzle 3 is not limited to a circular shape, but can be mounted in other shapes such as a triangle and an ellipse, and can be similarly implemented.
図１３〜図１８は、実施例２に係り、図１３（Ａ）は、通常制御時の入力周波数を示す波形図、（Ｂ）は、間欠制御時の入力周波数を示す波形図、（Ｃ）は、ｄｕｔｙを示す波形図である。 FIGS. 13 to 18 relate to the second embodiment, FIG. 13A is a waveform diagram showing an input frequency during normal control, FIG. 13B is a waveform diagram showing an input frequency during intermittent control, and FIG. These are waveform diagrams showing the duty.
本実施例２において、同軸型ＤＢＤプラズマアクチュエータ及び噴流制御装置の概略は、図１と同様であり、測定座標の設定は、図４と同様である。 In the second embodiment, the outline of the coaxial DBD plasma actuator and the jet flow control device is the same as in FIG. 1, and the setting of measurement coordinates is the same as in FIG.
実施例１では、その一例として図１３（Ａ）のような連続制御により、周波数を固定して電圧を上げ、或いは周波数を上げる制御を行った。このような制御により、誘起流れの強さを変更し、噴流の拡散の程度を自由に変えることができた。 In the first embodiment, as an example, control is performed by increasing the voltage while fixing the frequency or increasing the frequency by continuous control as shown in FIG. By such control, it was possible to change the strength of the induced flow and freely change the degree of jet diffusion.
これに対し、本実施例２では、図１３（Ｂ）のように、印加電圧の周波数の制御を、間欠的に行った。 On the other hand, in Example 2, as shown in FIG. 13B, the frequency of the applied voltage was intermittently controlled.
この場合、電源に与えるパルス周期はｆｄであり、１周期におけるパルス幅の割合を表すｄｕｔｙはＢ／Ａとなる。 In this case, the pulse period given to the power supply is fd, and the duty representing the ratio of the pulse width in one period is B / A.
この間欠制御を以下の条件で行った。 This intermittent control was performed under the following conditions.
（１）電極
・印加電圧：約４．８ｋＶ
・周波数 ：１５ｋＨｚ
・ｄｕｔｙ：１０、５０、９０％
・ｆｄ ：８０、１６０、２４０、３４０Ｈｚ
（２）使用気体
・空気
（３）主噴流
・レイノルズ数：Ｒｅ＝２０００（ｕ０＝３．１５ｍ／ｓ）
図１４は、ｄｕｔｙ変化と噴流の拡散との関係の可視化画像である。
(1) Electrode ・ Applied voltage: about 4.8 kV
・ Frequency: 15 kHz
-Duty: 10, 50, 90%
Fd: 80, 160, 240, 340 Hz
(2) Gas used ・ Air (3) Main jet ・ Reynolds number: Re = 2000 (u 0 = 3.15 m / s)
FIG. 14 is a visualized image of the relationship between duty change and jet diffusion.
図１４の可視化画像のように、Ｒｅ＝２０００、周波数＝１５ｋＨｚ、ｆｄ＝３２０Ｈｚでは、印加電圧＝０（ｏｆｆ）、４．９１、４．８８、４．８６ｋＶにおいて、ｄｕｔｙ＝０、１０、５０、９０％と大きくなるにつれて噴流が乱れ、ノズル出口に近づいた。ｄｕｔｙ＝５０、９０％では、ほぼ同様の乱れ方になった。 As shown in the visualized image in FIG. 14, when Re = 2000, frequency = 15 kHz, fd = 320 Hz, applied voltage = 0 (off), 4.91, 4.88, 4.86 kV, and duty = 0, 10, 50 The jet flow was disturbed as it increased to 90% and approached the nozzle outlet. At duty = 50, 90%, the disorder was almost the same.
図１５は、電源に与えるパルス周期とプリファード周波数と噴流の拡散との関係の可視化画像である。 FIG. 15 is a visualized image of the relationship between the pulse period applied to the power supply, the preferred frequency, and the jet diffusion.
図１５の可視化画像のように、Ｒｅ＝２０００、周波数＝１５ｋＨｚ、ｄｕｔｙ＝５０、ｆｐ＝１６０Ｈｚでは、ｆｄ／ｆｐ＝０．５、１、１．５、２において、ｆｄ＝８０、１６０、２４０、３２０と大きくすることで渦輪の間隔が狭くなり拡散状態に変化が出た。 15, when Re = 2000, frequency = 15 kHz, duty = 50, fp = 160 Hz, fd / fp = 0.5, 1, 1.5, 2 and fd = 80, 160, 240 , 320, the spacing between the vortex rings was narrowed and the diffusion state changed.
ここに、ｆｐは、プリファード周波数であり、円形噴流のポテンシャルコア領域において安定した渦輪が通過する際、あるいは渦と渦とが合体する際の速度変動を周波数として捉えたものである。図１５では、Ｒｅ＝２０００でプラズマｏｆｆ時のｘ／ｄ＝３のプリファード周波数ｆｐ＝１６０Ｈｚである。 Here, fp is a preferred frequency, which is a frequency fluctuation when the stable vortex ring passes in the potential core region of the circular jet or when the vortex and the vortex merge. In FIG. 15, the preferred frequency fp = 160 Hz for x / d = 3 when Re = 2000 and plasma is off.
図１６は、ｄｕｔｙ変化による噴流の中心速度分布図である。 FIG. 16 is a distribution diagram of the center velocity of the jet due to the duty change.
ノズル出口の速度分布を熱線流量計で測定すると、図１６のようになった。この図１６のように、ノズル出口の速度低下は、ｄｕｔｙが大きくなるにつれて遅くなる傾向になった。 When the velocity distribution at the nozzle outlet was measured with a hot-wire flow meter, it was as shown in FIG. As shown in FIG. 16, the nozzle outlet speed tends to decrease as the duty increases.
図１７は、ｙ／ｄ＝０でのｄｕｔｙ変化による噴流の速度変動分布に係り、（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）は、ｄｕｔｙ＝１０、５０、９０を示すグラフ、図１８は、ｙ／ｄ＝０．４５でのｄｕｔｙ変化による噴流の速度変動分布に係り、（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）は、ｄｕｔｙ＝１０、５０、９０を示すグラフである。 FIG. 17 relates to the velocity fluctuation distribution of the jet due to the duty change at y / d = 0, (A), (B), (C) are graphs showing duty = 10, 50, 90, and FIG. (A), (B), and (C) are graphs showing duty = 10, 50, and 90 in relation to the velocity fluctuation distribution of the jet due to the duty change at y / d = 0.45.
この実験は、図２の寸法設定のもので行った。 This experiment was performed with the dimensions set in FIG.
Ｒｅ＝２０００、周波数＝１５ｋＨｚ、印加電圧＝約４．８ｋＶ、ｆｄ＝３２０Ｈｚ、ｘ／ｄ＝１の速度分布は、熱線流量計で速度変動を測定すると図１７、図１８のようになった。この図１７、図１８から明らかなように、ｄｕｔｙは、（Ａ）Ｄｕｔｙ＝１０、（Ｂ）Ｄｕｔｙ＝５０、（Ｃ）Ｄｕｔｙ＝９０と大きくしており、これに応じてｙ／ｄ＝０、０．４５の何れでも速度変動が大きくなった。 The speed distribution of Re = 2000, frequency = 15 kHz, applied voltage = about 4.8 kV, fd = 320 Hz, and x / d = 1 is as shown in FIGS. 17 and 18 when the speed fluctuation is measured with a hot-wire flow meter. As apparent from FIGS. 17 and 18, the duty is increased to (A) Duty = 10, (B) Duty = 50, and (C) Duty = 90, and accordingly y / d = 0. And 0.45, the speed fluctuation became large.
以上より、印加電圧の周波数制御を間欠的に行ない、ｄｕｔｙを選択することで、適切な誘起流れを形成することができる。その他、実施例１と同様の効果を奏することができる。 As described above, an appropriate induced flow can be formed by intermittently controlling the frequency of the applied voltage and selecting the duty. In addition, the same effects as those of the first embodiment can be obtained.
本願の同軸型ＤＢＤプラズマアクチュエータ１及び同軸型プラズマアクチュエータ１を用いた噴流制御装置５は、バーナーの燃料混合促進、噴流を用いた気体の拡散混合に利用できる。ＭＥＭＳ技術を用いてマイクロチャンネル内の気体の拡散混合にも応用できる。 The coaxial DBD plasma actuator 1 and the jet flow control device 5 using the coaxial plasma actuator 1 of the present application can be used for fuel mixing promotion of a burner and gas diffusion mixing using a jet. It can also be applied to diffusion mixing of gases in microchannels using MEMS technology.
ガスタービンにおける燃料混合比の制御装置、マイクロガスタービンを含む各種のガスタービンにおけるタービン翼列への燃焼ガス入射角の制御装置、熱交換器における流体の混合・拡散促進装置等として利用することもできる。 It can also be used as a fuel mixing ratio control device for gas turbines, a control device for the angle of combustion gas incident on the turbine cascade in various gas turbines including micro gas turbines, and a fluid mixing / diffusion promoting device for heat exchangers. it can.
吸気ポートを備える火花点火式エンジンやディーゼルエンジンなどの各種の内燃機関等にも利用することができる。 The present invention can also be used for various internal combustion engines such as a spark ignition engine having a suction port and a diesel engine.
１，１Ａ，１Ｂ，１Ｃ 同軸型ＤＢＤプラズマアクチュエータ
３ ノズル
５ 噴流制御装置
７ 誘電体
９ 内周電極（外電極）
１１ 外周電極（内電極）
１３ 円筒部
１３ａ 内面
１５ フランジ部
1, 1A, 1B, 1C Coaxial DBD plasma actuator 3 Nozzle 5 Jet control device 7 Dielectric 9 Inner peripheral electrode (outer electrode)
11 Peripheral electrode (inner electrode)
13 cylindrical part 13a inner surface 15 flange part
Claims (6)
前記同軸型ＤＢＤプラズマアクチュエータは、円筒状の誘電体を挟んで同軸に各別に形成された内周面側の外電極及び外周面側の内電極を備え、
前記内周面側の外電極は、前記円筒状の誘電体の一端に設けられ、
前記外周面側の内電極は、前記円筒状の誘電体の軸方向に前記外電極から離間して設けられ、
前記外電極及び内電極への電圧の印加により発生するプラズマを利用して誘起流れを発生させ前記ノズルから噴出する噴流を拡散制御する、
ことを特徴とする同軸型ＤＢＤプラズマアクチュエータを用いた噴流制御装置。 A jet control apparatus using a coaxial DBD plasma actuator on the jet outlet side of a nozzle,
The coaxial DBD plasma actuator includes an outer electrode on the inner peripheral surface side and an inner electrode on the outer peripheral surface side that are coaxially formed separately across a cylindrical dielectric,
The outer electrode on the inner peripheral surface side is provided at one end of the cylindrical dielectric,
The inner electrode on the outer peripheral surface side is provided away from the outer electrode in the axial direction of the cylindrical dielectric,
Using the plasma generated by the application of voltage to the outer electrode and the inner electrode to generate an induced flow and control the diffusion of the jet ejected from the nozzle;
A jet flow control apparatus using a coaxial DBD plasma actuator.
前記誘電体は、円筒部の一端にフランジ部を備え、
前記外電極は、前記フランジ部の内周面側に設けられ、
前記内電極は、前記円筒部の外周面側に設けられた、
ことを特徴とする同軸型ＤＢＤプラズマアクチュエータを用いた噴流制御装置。 A jet control apparatus using the coaxial DBD plasma actuator according to claim 1,
The dielectric includes a flange portion at one end of the cylindrical portion,
The outer electrode is provided on the inner peripheral surface side of the flange portion,
The inner electrode is provided on the outer peripheral surface side of the cylindrical portion,
A jet flow control apparatus using a coaxial DBD plasma actuator.
前記フランジ部の端面内周縁側に、周回状の凹部を設け、
前記外電極は、前記凹部に内周部が設けられて内面が前記円筒部の内面と面一に形成された、
ことを特徴とする同軸型ＤＢＤプラズマアクチュエータを用いた噴流制御装置。 A jet flow control device using the coaxial DBD plasma actuator according to claim 2,
A circular recess is provided on the inner peripheral edge of the flange portion,
The outer electrode has an inner peripheral portion provided in the recess, and an inner surface formed flush with an inner surface of the cylindrical portion.
A jet flow control apparatus using a coaxial DBD plasma actuator.
前記内電極は、前記円筒部の外周面側全体に設けられた、
ことを特徴とする同軸型ＤＢＤプラズマアクチュエータを用いた噴流制御装置。 A jet control apparatus using the coaxial DBD plasma actuator according to claim 2 or 3,
The inner electrode is provided on the entire outer peripheral surface side of the cylindrical portion,
A jet flow control apparatus using a coaxial DBD plasma actuator.
前記電圧又は周波数を制御する、
ことを特徴とする同軸型ＤＢＤプラズマアクチュエータを用いた噴流制御装置。 A jet control apparatus using the coaxial DBD plasma actuator according to any one of claims 1 to 4,
Controlling the voltage or frequency,
A jet flow control apparatus using a coaxial DBD plasma actuator.
前記周波数の制御は、間欠的に行う、
ことを特徴とする同軸型ＤＢＤプラズマアクチュエータを用いた噴流制御装置。 A jet flow control device using the coaxial DBD plasma actuator according to claim 5,
The frequency control is performed intermittently.
A jet flow control apparatus using a coaxial DBD plasma actuator.
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