2017 Fiscal Year Annual Research Report
放電モード制御によるプラズマアクチュエータの性能最大化
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16H06133
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| Research Institution | Tokyo University of Agriculture and Technology |
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Principal Investigator |
西田 浩之 東京農工大学, 工学(系)研究科(研究院), 准教授 (60545945)
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| Project Period (FY) |
2016-04-01 – 2020-03-31
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| Keywords | プラズマアクチュエータ / 流体制御 / 大気圧放電 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
前年度に見出した性能向上に有効な電圧波形，急勾配と緩勾配を組み合わせた緩急勾配波形，の形状を更に最適化することを目的に，放電プラズマの数値シミュレーションによるパラメトリックなサーベイを行い，急緩の各勾配区間の相互作用にまで踏み込んだ観点から性能向上メカニズムを解析した．結果，印加電圧が負勾配の区間（負極放電）においては，急から緩へと勾配を変化させることで大きな体積力生成の向上を見込めることが示された．これは，急勾配による密な放電により生成したプラズマを緩勾配で効率よく加速できるためである．一方で，印加電圧が正勾配においては有意な効果が望めない．印加電圧が正勾配の区間（正極放電）においては，そもそも体積力生成が弱く，負極放電を如何に長く持続させるかが体積力生成において重要である．
印加電圧波形による放電制御が3電極型プラズマアクチュエータにおいても有効であることを示すため，電圧波形を様々に変化させた3電極型プラズマアクチュエータの放電プラズマシミュレーヨンを実施した．結果，印加電圧の負勾配区間を短くした波形により，3電極目が引き起こす直流放電を強化できることが分かった．これまで，3電極型プラズマアクチュエータは飛躍的な性能向上が見込めるものの，ジェット挙動が不安定であるというデメリットがあったが，この問題をクリアできる可能性が示された．
放電プラズマの数値シミュレーションは，プラズマアクチュエータの作動メカニズムを解析する上で強力な解析ツールとしての役割を担っているが，実験結果を一部再現できない．現在の放電モデルは，ごく簡単なプラズマ化学反応しか考慮していない．シミュレーション技術の洗練は今後の研究において極めて重要であるため，考慮するプラズマ化学反応を増やすシミュレーションコードのアップグレードを行った．実験結果との比較によるコードの検証が今後の課題である．
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
当初の計画通り，プラズマアクチュエータの作動メカニズムについて多くのことを明らかにすることに成功しており，性能向上を達成できる印加電圧波形の最適化プロセスも順調に進展していると言える．ただ，従来の2電極型プラズマアクチュエータについては，まだ2倍を超える出力の向上は達成できておらず，放電波形の最適化について更なる検討が必要である．一方， 3電極型プラズマアクチュエータについては，飛躍的な出力向上（10倍以上）はそのままに，印加電圧波形の調整による放電制御で不安定であったジェット挙動をコントロールできる可能性を数値シミュレーションにより示すことに成功した．これは，計画以上の進展であると言える．3電極型については，次年度以降，実験による実証が最も重要な課題となる．以上から総合的に判断して，本研究課題は概ね順調に推移していると言える．
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| Strategy for Future Research Activity |
今後は，引き続き実験と数値シミュレーション，双方のアプローチからプラズマアクチュエータの放電と体積力場生成の関係を解析し，その知見を基に印加電圧波形の最適化を進める．また，3電極構造のプラズマアクチュエータと印加電圧波形の調整による放電制御を組み合わせることで，大きな性能向上を維持しつつ不安定であったジェット挙動を抑えられること示唆する結果が数値シミュレーションにより得られた．今後，実験によりこの結果を実証することが大きな目標である．
主要な実験装置の1つである高電圧アンプリファイアが不調のため，平成30年度において装置を更新する．更新においては，より高電圧かつ高スルーレートの波形が印加できる機種を導入する予定である．これにより，より広いパラメータレンジで実験を行えるようになり，かつ高出力において実験可能なため，SN比の向上による計測精度の改善も見込まれる．これまで，放電場と体積力場のメカニズムについては主に数値シミュレーションに頼った解析を行ってきたが，本年度は実験からもアプローチする．具体的には，BOS（Background-Oriented-Schlieren）法による密度場計測を実施し，PIVによる流れ場計測と併用してNavier-Stokes解析することで，体積力場を実験的に推算する．
また，数値シミュレーション技術の洗練も引き続き実施する．実験結果と精密に比較しながら，必要なプラズマ化学反応を選定し，シミュレーションコードのアップグレードを実施する．
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