Bu araşdırma kiçik bir PUA pərinin ön kənarına yerləşdirilən alternativ cərəyanlı Dielectric Barrier Discharge (AC-DBD) plazma aktuatorlarının hover şəraitində aerodinamik performansı dəyişib-dəyişdirmədiyini fiziki təcrübələrlə araşdırır. Tədqiqatçılar 114 mm radiuslu, 22 mm sabit xordlu, ikiqanadlı NACA 4412 pərlərini müxtəlif sabit addım bucaqları ilə 3B olaraq istehsal etmiş; 4000 RPM-ə qədər fırlanma sürətini, itələmə qüvvəsini və mühərrikin elektrik istehlakını ölçmüş və yüksək gərginliyi fırlanan qanadlara yüksək sürətli slip-ring sistemi ilə ötürmüşlər. 18° addımlı pərdə təxminən eyni fırlanma sürəti və itələmə şəraitinə qayıdıldıqda güc əmsalı 4000 RPM-də %7,66 azalarkən Figure of Merit (FoM) %9,42 artmışdır. Daha geniş addım skanında mənbə 22° üçün %10,1 FoM artımı bildirir. Buna qarşılıq 6° və 12° addımlarda ölçülə bilən fayda görülməmiş, 30°-lik ən yüksək addımda da plazma aktuasiyası performans artımı təmin etməmişdir. Ən mühüm şərh sərhədi axın ayrılması və yenidən yapışmanın PIV kimi birbaşa axın görüntüləmə üsulu ilə ölçülməməsidir; mexanizm performans ölçmələrindən dolayı yolla şərh edilir.

Nəticələrin ən diqqətçəkən tərəfi plazma aktuasiyasının eyni şəraitdə böyük itələmə artımı yaratmaqdan daha çox pərin eyni itələməni daha aşağı mühərrik güc istehlakı ilə istehsal etməsi ilə müşayiət olunmasıdır. 18° addımlı pərin 4000 RPM sınağında aktuasiya sonrası fırlanma sürətindəki fərq %0,35, itələmə əmsalındakı fərq %0,69, güc əmsalındakı dəyişmə isə −%7,66-dır. FoM həmin təcrübədə %9,42 yüksəlmişdir. Mənbənin şərhinə görə, plazmanın sərhəd qatına ötürdüyü impuls ayrılmış axınla əlaqəli profil itkilərini azaltmış ola bilər.

Plazma nəzarəti bütün iş şəraitində fayda verməmişdir. 6° və 12° kimi aşağı addımlarda pər performansında ölçülə bilən dəyişiklik tapılmamış; tədqiqatçılar bunu əsas axının böyük ölçüdə yapışmış qalması və buna görə ayrılma nəzarəti üçün çox az imkan olması ilə əlaqələndirmişlər. 15°-də FoM artımı %4,2 olaraq ortaya çıxmış, daha yüksək ara addımlarda fayda böyümüş və 22°-də %10,1-ə çatmışdır. Buna qarşılıq 30°-də yenidən ölçülə bilən fayda görülməmişdir. Tədqiqatçılar bu nəticəni plazmanın ən faydalı olduğu sahənin “ayrılma yoxdur” ilə “çox güclü ayrılma” arasındakı orta ayrılmış-axın rejimi ola biləcəyi şəklində şərh edirlər.

Türkiyə baxımından: Tapıntılar Türkiyədə hazırlanacaq kiçik elektrikli PUA pərləri üçün hərəkətli mexaniki flap və ya hava üfürmə sistemi tələb etməyən aktiv axın nəzarətinin araşdırıla biləcəyini göstərən eksperimental metod nümunəsi təqdim edir. Lakin tədqiqatdakı %7,66 güc əmsalı azalması və ya %9–10 səviyyəsində FoM artımları Türkiyədəki hər hansı PUA pərinə birbaşa köçürülməməlidir. Nəticələr burulmamış NACA 4412 qanadı, 228 mm diametr, müəyyən elektrod həndəsəsi, hover şəraiti, təxminən 10⁴ mərtəbəsində Reynolds ədədləri və 4000 RPM-ə qədər sınaqdan keçirilmiş laboratoriya quruluşu ilə məhduddur. Real tətbiq üçün özgün pər həndəsəsi, irəli uçuş, plazma sisteminin xalis elektrik istehlakı, elektromaqnit inteqrasiya və uzunmüddətli dayanıqlıq ayrıca sınaqdan keçirilməlidir.

Araşdırmanın əsas sualı nədir?

Tədqiqatın əsas sualı sabit qanadlarda və aşağı sürətli böyük rotor təcrübələrində istifadə edilən DBD plazma əsaslı ayrılma nəzarətinin çox daha kiçik və 4000 RPM-ə qədər fırlanan PUA pərində də ölçülə bilən aerodinamik qazanc yaradıb-yaratmayacağıdır.

Müəlliflərin məlumatına görə əvvəlki rotor tədqiqatları əsasən daha böyük rotorları və daha aşağı fırlanma sürətlərini araşdırmışdır. Buna görə tədqiqatçılar kiçik ölçülü UAV pərlərində leading-edge AC-DBD plazma aktuasiyasını müxtəlif addım, RPM və gərginlik şəraitində sistemli şəkildə sınamağı işin əsas yeniliyi kimi təqdim edirlər.

DBD plazma aktuatoru havaya necə təsir edir?

Tipik Dielectric Barrier Discharge aktuatorunda iki elektrod dielektrik təbəqə ilə bir-birindən ayrılır. Elektrodlardan biri hava ilə təmasda olarkən digəri dielektrik daxilində və ya altında qapalıdır. Elektrodlar arasına yüksək alternativ gərginlik tətbiq edildikdə açıq elektrod ətrafındakı hava ionlaşır və səth boyunca plazma bölgəsi yaranır.

Elektrik sahəsindəki yüklü hissəciklərin neytral hava molekulları ilə impuls mübadiləsi səth boyunca bir plazma mənbəli divar jeti yarada bilər. Tədqiqatın Şəkil 1-dəki sxemi açıq elektrodu, dielektrik təbəqəni, qapalı elektrodu və səth boyunca yaranan induksiya olunmuş hava axınını birlikdə göstərir.

Aerodinamik baxımdan məqsəd sərhəd qatının aşağı impulslu hissəsinə enerji ötürərək axının əks təzyiq qradientinə qarşı müqavimətini artırmaq və ayrılmanı gecikdirməkdir. Bununla belə, hazırkı tədqiqat qanad üzərində PIV həyata keçirmədiyi üçün plazmanın sərhəd qatını hansı radial mövqelərdə və nə qədər yenidən yapışdırdığı birbaşa ölçülməyib.

Təcrübədə necə bir pər istifadə edildi?

Təcrübə modeli şüurlu şəkildə sadə seçilib. Pər:

• iki qanadlıdır,
• burulmamışdır,
• 114 mm radiusa malikdir,
• 22 mm sabit xorda malikdir,
• NACA 4412 profilindən istifadə edir,
• qanad boyunca sabit həndəsi addıma malikdir.

Müxtəlif təcrübələr üçün 6°, 12°, 15°, 18°, 22° və 30° kimi müxtəlif sabit addım bucaqlarına malik ayrı pərlər hazırlanıb. Qanadlar yüksək sərtlikli, şüşə doldurulmuş SLA tipli Rigid 10K Resin ilə 3B çap edilib.

Bu sadələşdirilmiş həndəsə kommersiya UAV pərinin bütün həndəsi detallarını təmsil etmək üçün deyil, plazma elektrodlarının kiçik fırlanan qanadlara tətbiqini və addım təsirinin nəzarətli şəkildə araşdırılmasını asanlaşdırmaq üçün seçilib.

Təcrübə qurğusu necə qurulmuşdu?

Tədqiqatın Şəkil 3-də yüksək gərginliyin fırlanan pərə ötürülməsini təmin edən xüsusi təcrübə sistemi göstərilir. Pər fırçasız elektrik mühərriki ilə fırladılıb; mühərrik 16 V DC qidalanmadan istifadə edib. İstənilən RPM elektron sürət nəzarət sistemi üzərindən manuel tənzimlənib və rəqəmsal taxometrlə ölçülüb.

Pərin yaratdığı aerodinamik qüvvə ATI mini45 IP65 qüvvə/fırlanma momenti sensoru ilə ölçülüb. Standart çəkilərlə aparılan kalibrasiyada 50 N-a qədər tətbiq edilən qüvvələr üçün yük hüceyrəsinin ölçmə qeyri-müəyyənliyi ±%2 olaraq müəyyən edilib.

Mühərrik cərəyanı Hall-effect cərəyan çeviricisi ilə ölçülüb və müvafiq sistemin göstərilən dəqiqliyi ±%1-dir. Aerodinamik qüvvə və mühərrik güc istehlakı məlumatları 5000 Hz nümunələmə sürətində qeydə alınıb.

Tədqiqatçılar hər iş şəraitini bir neçə dəfə təkrarlayıb və təkrar itələmə/güc ölçmələrində ümumi dəyişkənliyi təxminən ±%2,5 olaraq bildiriblər. Bununla belə hər şərait üçün neçə müstəqil təkrar aparıldığı mənbədə ədədi olaraq göstərilmir.

Yüksək gərginlik fırlanan qanadlara necə ötürüldü?

Fırlanan pərə plazma yaradacaq yüksək gərginliyi ötürmək təcrübənin mühüm mühəndislik komponentlərindən biridir. İki yüksək gərginlikli və yüksək sürətli slip ring istifadə edilib. Bir slip ring yüksək gərginlik xəttini, digəri isə torpaq xəttini daşıyır.

İstifadə edilən slip ring-lər 7500 RPM-ə qədər iş üçün dərəcələndirilib; təcrübələrdə ən yüksək pər sürəti isə 4000 RPM-dir. Xüsusi 3B çap edilmiş mil adapterləri mühərrik, pər, kabellər və slip ring-lərin eyni fırlanan sistemdə mexaniki birləşdirilməsini təmin edib.

Plazma elektrodları qanada necə yerləşdirildi?

DBD aktuatoru qanadın hücum kənarına tətbiq edilib. Təxminən 70 µm qalınlığında mis təbəqələr elektrod kimi istifadə olunub.

Ground electrode çılpaq qanad səthinə yerləşdirilib və hücum kənarından sorma və təzyiq səthlərinə doğru sarınıb. Bunun üzərinə hər biri 130 µm qalınlığında dörd Kapton izolyasiya təbəqəsi tətbiq edilib. Kapton təbəqələri yüksək gərginlikli açıq elektrod ilə ground electrode arasında dielectric barrier funksiyasını yerinə yetirib.

Exposed electrode plazmanın birbaşa hücum kənarı ətrafında yaranmasını təmin edəcək şəkildə yerləşdirilib və təxminən:

r/R = %15 – %90

radial intervalını əhatə edib.

Elektrodun %90 radiusdan kənara uzadılması ilk dizayn sınaqlarında qısaqapanma ehtimalını artırdığı üçün uc bölgə əhatədən kənarda saxlanılıb.

Plazmanın elektrik iş şəraiti nə idi?

Əsas performans təcrübələrində aktuatorlar təxminən:

• tətbiq edilən AC gərginlik: \(V_{ac}=6\) kV,
• aktuatorun elektrik gücü: \(P_{ac}\approx4\) W,
• aktuasiya tezliyi: \(f_{ac}\approx5.5\) kHz

şəraitində işlədilib.

Plazma aktuatorunun elektrik gücü ölçülən gərginlik və cərəyanın zaman üzrə hasilinin bir period boyunca ortalaması ilə hesablanıb:

\[ P_{ac} = \frac{1}{T} \int_{0}^{T} V_{ac}(t)I_{ac}(t)\,dt \]

Burada \(P_{ac}\) aktuatorun orta elektrik güc istehlakını, \(V_{ac}(t)\) ani gərginliyi, \(I_{ac}(t)\) ani cərəyanı və \(T\) qiymətləndirmə periodunu ifadə edir.

Təcrübə proseduru plazmanın təsirini necə ayırdı?

Hər təcrübədə pər əvvəlcə müəyyən edilmiş RPM-də plazma söndürülmüş halda təxminən 30 saniyə sabit vəziyyətdə işlədilib. Ardınca DBD plazma aktuatorları aktivləşdirilib.

Nəzarət sistemi RPM-i avtomatik sabit saxlamadığı üçün aerodinamik müqavimət azalarsa mühərrik eyni idarəetmə şəraitində daha sürətli fırlana bilər. Tədqiqatçılar plazma aktivləşdirildikdən sonra RPM-dəki artımı axın nəzarətinin mümkün göstəricilərindən biri kimi istifadə ediblər.

Yeni vəziyyət təxminən 30 saniyə sabitləşdikdən sonra plazma açıq saxlanılıb, lakin pərin RPM-i manuel olaraq başlanğıcdakı plazma-söndürülmüş dəyərə geri salınıb. Beləliklə itələmə və mühərrik güc istehlakı təxminən eyni fırlanma sürətində müqayisə edilib.

Bu prosedur mühüm fərq yaradır: plazma ilk açıldığında müşahidə olunan daha yüksək RPM və itələmə həm dəyişən aerodinamik itkiləri, həm də artan fırlanma sürətini birlikdə ehtiva edir. Əsas müqayisə RPM yenidən başlanğıc səviyyəsinə gətirildikdən sonra aparılıb.

6° və 12° addımda niyə qazanc görülmədi?

6° və 12° sabit addımlı pərlərdə plazma açıldıqdan sonra ölçülə bilən RPM və ya səmərəlilik dəyişməsi görülməyib.

Müəlliflər bunu bu aşağı yüklənmə şəraitində sərhəd qatının böyük ölçüdə yapışmış qalması və buna görə plazma aktuatorunun idarə edə biləcəyi böyük ayrılmış sahənin olmaması ilə izah edirlər.

Lakin tədqiqat bu iki vəziyyətdə səth axınını birbaşa ölçmədiyi üçün “axın mütləq tamamilə yapışmışdı” nəticəsini eksperimental görüntüləmə sübutu kimi təqdim etmək doğru deyil. Mənbənin dəstəklədiyi ifadə performans ölçmələrinin böyük miqyaslı ayrılmanın olmadığı və ya plazma ilə ölçülə biləcək dərəcədə dəyişdirilə biləcək qədər inkişaf etmədiyi şərhi ilə uyğun olmasıdır.

18° addımlı pərdə nə dəyişdi?

18° addımda plazma açıldıqda 2000, 2500, 3000 və 4000 RPM sınaqlarının hamısında fırlanma sürəti artıb. RPM artarkən itələmə də müvəqqəti yüksəlib, mühərrikin elektrik istehlakı isə azalıb.

RPM daha sonra plazma açıq halda başlanğıc dəyərinə geri gətirildikdə itələmənin təxminən başlanğıc səviyyəsinə döndüyü, buna qarşılıq mühərrik güc istehlakının daha aşağı qaldığı görülüb.

Bu davranış tədqiqatın əsas eksperimental tapıntısıdır: plazmanın ən aydın təsiri eyni itələmə səviyyəsində daha aşağı elektrik gücü tələbi ilə müşayiət olunub.

İtələmə və güc əmsalları necə hesablandı?

Pərin müxtəlif RPM dəyərlərində müqayisə edilə bilməsi üçün ölçülmüş itələmə və elektrik gücü ölçüsüz əmsallara çevrilib.

İtələmə əmsalı:

\[ C_T= \frac{T} {\rho n^2D^4} \]

Burada \(T\) itələmə qüvvəsi, \(\rho\) hava sıxlığı, \(n\) saniyədəki dövr sayı və \(D\) pər diametridir.

Güc əmsalı:

\[ C_P= \frac{P} {\rho n^3D^5} \]

olaraq hesablanıb.

Təcrübələr nəzarətli laboratoriya mühitində təxminən 22 °C və 101,3 kPa şəraitində aparılıb; hesablamalarda hava sıxlığı:

\[ \rho=1.20\;kg/m^3 \]

olaraq götürülüb.

Figure of Merit nəyi ifadə edir?

Hovering rotor səmərəlilik göstəricisi olan Figure of Merit:

\[ FoM= \frac{C_T^{3/2}} {\sqrt{2}\,C_P} \]

əlaqəsi ilə hesablanıb.

FoM yüksəldikdə eyni aerodinamik yüklənmə üçün daha aşağı güc əmsalı mövcuddur. Bu təcrübədə itələmə əmsalı böyük ölçüdə eyni qaldığı halda güc əmsalının düşməsi FoM-un artmasına səbəb olub.

Mənbə FoM-u “system-level FoM” kimi xarakterizə edir, çünki mexaniki mil gücü əvəzinə mühərrikin elektrik giriş gücü ölçülüb. Bununla belə DBD plazma sisteminin təxminən 4 W-lıq ayrıca istehlakının FoM tənliyindəki \(P\)-yə açıq şəkildə daxil edildiyi göstərilmir. Buna görə FoM dəyərləri ümumi hava vasitəsi enerji büdcəsi ilə eyni şey deyil.

18° pərin dəqiq nəticələri hansılardır?

RPM dəyişmələri bütün bu müqayisələrdə %1-dən aşağı qalıb. Güc əmsalındakı azalma RPM artdıqca ümumilikdə böyüyüb; FoM artımı 2000 RPM-dəki %4,72-dən 4000 RPM-dəki %9,42-yə yüksəlib.

Mənbə mətn maksimum \(C_T\) dəyişməsinin %0,7-dən kiçik olduğunu desə də cədvəldəki 2500 RPM dəyəri +%0,91-dir. Buna görə Verianla itələmə əmsalının “hər şəraitdə %0,7-dən az dəyişdiyi” ifadəsini təkrar etmir. Daha təhlükəsiz nəticə \(C_T\) dəyişməsinin cədvəldəki dörd təcrübədə −%0,46 ilə +%0,91 arasında qalmasıdır.

Nəticə ölçmə qeyri-müəyyənliyinin üzərindədirmi?

Təkrarlanan itələmə və güc ölçmələrində ümumi eksperimental dəyişkənlik təxminən ±%2,5 olaraq bildirilib. 4000 RPM-dəki −%7,66 güc əmsalı dəyişməsi bu səviyyədən aydın şəkildə böyükdür. Buna görə tədqiqatçılar güc istehlakındakı azalmanın yalnız sınaqlararası səpələnmə ilə izah edilə bilməyəcək təkrarlana bilən təsir olduğunu bildirirlər.

FoM-dakı %9,42 artım da eyni ±%2,5 təkrarlana bilmə miqyasından böyükdür.

Bununla belə məqalədə bu müqayisələr üçün p-dəyəri, etibar intervalı və ya ayrıca parametrik/qeyri-parametrik hipotez testi bildirilməyib. ±%2,5 dəyəri təkrarlanan təcrübələrdə müşahidə olunan ümumi variasiyanı təmsil edir.

Addım bucağı plazmanın təsirini necə dəyişir?

4000 RPM-də müxtəlif addım bucaqları ilə aparılan ikinci təcrübə seriyası plazmanın təsirinin vahid olmadığını göstərir.

• 6°: ölçülə bilən FoM artımı yoxdur.
• 12°: ölçülə bilən FoM artımı yoxdur.
• 15°: FoM artımı %4,2.
• 18°: nəzərəçarpan FoM artımı; 18° üçün ayrıca Table 1 təcrübəsində 4000 RPM nəticəsi %9,42.
• 22°: mənbə mətnində FoM artımı %10,1.
• 30°: ölçülə bilən fayda yoxdur.

Bu paylanma sadə “addım yüksəldikcə plazma həmişə daha yaxşı işləyir” əlaqəsini göstərmir. Fayda aşağı addımda ortaya çıxmır, orta-yüksək addımda böyüyür və ən yüksək 30° addımda yenidən yox olur.

Niyə ən böyük fayda orta ayrılma rejimində görülmüş ola bilər?

Tədqiqatçıların fiziki şərhi DBD aktuatorunun müəyyən bir idarəetmə səlahiyyəti pəncərəsi olduğu istiqamətindədir.

Axın artıq yapışmışdırsa aktuatorun düzəldə biləcəyi mühüm ayrılma itkisi yoxdur. Ayrılmış sahə orta səviyyədədirsə plazma divar jeti sərhəd qatına kifayət qədər impuls verərək ayrılmanı gecikdirə və ya sahənin bir hissəsini yenidən yapışdıra bilər. Ayrılma çox güclü olduqda isə aktuatorun verdiyi impuls bütün ayrılmış sahəni idarə etməyə yetməyə bilər.

Bu izah tədqiqat nəticələri ilə uyğundur; lakin birbaşa PIV olmadığı üçün 6°, 22° və ya 30° qanadlarda ayrılmanın həqiqi ölçüsü eksperimental axın xəritəsi kimi ölçülməyib.

Xülasə ilə tam nəticələr arasındakı maksimum FoM fərqi niyə vacibdir?

Məqalənin xülasəsi maksimum FoM artımını %9,42 olaraq verir. Bu rəqəm 18° addımlı pərin 4000 RPM Table 1 təcrübəsində doğrudur.

Bununla belə sonrakı addım bucağı skanında mətn 22° pər üçün %10,1 FoM artımı bildirir. Deməli tədqiqatın hamısı nəzərə alındıqda mənbədə bildirilən ən yüksək FoM artımı %10,1-dir; lakin xülasə bunu əks etdirmir.

Verianla bu iki dəyəri bir-birinin yerinə qoymur: %9,42 detallı 18° RPM seriyasının ən yüksək dəyəridir; %10,1 isə müxtəlif addımların 4000 RPM-də müqayisə edildiyi təcrübə seriyasında bildirilən 22° nəticəsidir.

Aktuasiya gərginliyini artırmaq nəticəni yaxşılaşdırıbmı?

Xeyr; sınaqdan keçirilən intervalda ölçülə bilən əlavə FoM qazancı görünməyib.

Plazma təxminən 4 kV ətrafında görünməyə başlayıb, 6 kV-də bənövşəyi plazma parıltısı daha nəzərəçarpan olduğu üçün əsas təcrübələrdə 6 kV seçilib.

18° pərdə 4, 6, 8 və 10 kV gərginliklər; 1500, 2000, 2500, 3000 və 4000 RPM şəraitində müqayisə edildikdə Figure 8-də FoM dəyərləri bir-birinə çox yaxın qalıb.

Müəlliflər bunu doyma davranışı ilə uyğun hesab edirlər: plazma boşalması sərhəd qatına kifayət qədər impuls verməyə başladıqdan sonra gərginliyi daha da artırmaq eyni nisbətdə aerodinamik qazanc yaratmır.

Bu nəticə yalnız sınaqdan keçirilmiş elektrod həndəsəsi və gərginlik intervalı üçün keçərlidir. Fərqli aktuator quruluşu və ya impuls idarəetmə formasının eyni doyma davranışını göstərəcəyi bu təcrübə ilə sübut edilməyib.

Aktuasiya tezliyi optimallaşdırılıbmı?

Xeyr. Avadanlıq və aktuator həndəsəsi səbəbilə plazma tezliyi təxminən:

\[ 4\leq f_{ac}\leq7\;kHz \]

intervalında qalıb.

4000 RPM-də pərin mexaniki fırlanma tezliyi:

\[ f_r=\frac{\Omega}{60}=66.67\;Hz \]

olduğundan plazma tezliyi rotor tezliyindən çox daha yüksəkdir.

Buna görə tədqiqat rotor və ya ayrılmış shear-layer dinamikası ilə faza kilidli aşağı tezlikli aktuasiyanı sistematik şəkildə araşdırmayıb. Müəlliflər daha aşağı və tənzimlənə bilən aktuasiya tezliklərini gələcək tədqiqat sahəsi kimi saxlayırlar.

Plazmanın axına təsiri quasi-steady-dir, yoxsa zamandan asılıdır?

Tədqiqat bu iki mexanizmi eksperimental olaraq bir-birindən ayıra bilmir.

Birinci mümkün mexanizm plazma mənbəli wall jet-in sərhəd qatına quasi-steady impuls əlavə edərək əks təzyiq qradientinə davamlılığı artırmasıdır.

İkinci ehtimal isə periodik plazma məcburiyyətinin ayrılmış shear layer daxilində coherent vortical structures yaradaraq xarici axınla divara yaxın aşağı impulslu axın arasında qarışmanı gücləndirməsidir.

Hazırkı təcrübə yalnız qlobal RPM, itələmə və elektrik gücü ölçmələrini ehtiva etdiyi üçün iki mexanizmin nisbi töhfəsi müəyyən edilməyib. Müəlliflər bu fərqləndirmə üçün phase-locked PIV kimi ətraflı axın sahəsi ölçmələrinin lazım olduğunu açıq bildirirlər.

Rotor boyunca ayrılma niyə eyni olmaya bilər?

Fırlanan pərdə qanad kəsiyinin nisbi sürəti və Reynolds ədədi radius boyunca dəyişir. Mənbənin Şəkil 2-dəki Reynolds paylanması da bu radial dəyişikliyi göstərir.

Buna görə qanadın daxili və xarici bölgələrində sərhəd qat davranışının eyni olması gözlənilmir. Xüsusilə aşağı Reynolds ədədli daxili bölgələr ayrılmaya daha meylli ola bilər.

Lakin hazırkı təcrübə qanadın neçə faiz hissəsinin ayrıldığını və ya plazmadan sonra hansı radial bölgələrin yenidən yapışdığını ölçməyib.

Plazma aktuatorunun təxminən 4 W istehlakı niyə vacibdir?

Plazma sistemi aerodinamik olaraq “pulsuz” deyil. Əsas sınaq şəraitində aktuatorun elektrik istehlakı təxminən 4 W olaraq hesablanıb.

Tədqiqatın mühərrik güc əmsalı və FoM hesabı mühərrikin elektrik istehlakı üzərindən aparılır; plazma aktuatorunun 4 W istehlakı ayrıca \(P_{ac}\) hesabında bildirilib. Mənbə ümumi mühərrik + plazma elektrik büdcəsi üçün ayrıca xalis FoM və ya uçuş müddəti hesabı təqdim etmir.

Buna görə tədqiqat “plazma açıldıqda mühərrik daha az elektrik çəkib” nəticəsini dəstəkləyir; lakin bütün güc elektronikası və plazma mənbəyi birlikdə nəzərə alındıqda real hava vasitəsinin batareyadan xalis olaraq neçə faiz az enerji çəkəcəyi bu təcrübədən birbaşa çıxarıla bilməz.

Tədqiqatın dəstəklədiyi nəticələr

• AC-DBD plazma aktuatorları fiziki olaraq 4000 RPM-ə qədər fırlanan kiçik UAV pərinə tətbiq edilə bilib.
• 18° addımlı pərdə plazma açıldıqda RPM artıb və mühərrikin elektrik istehlakı azalıb.
• RPM başlanğıc səviyyəsinə geri gətirildikdə 18° pərdə güc əmsalı 4000 RPM-də %7,66 azalıb.
• Eyni 18°/4000 RPM təcrübəsində FoM %9,42 yüksəlib.
• Mənbənin daha geniş addım skanında 22° üçün %10,1 FoM artımı bildirilib.
• 6° və 12° aşağı addımlarda ölçülə bilən səmərəlilik qazancı tapılmayıb.
• 30°-lik ən yüksək sınaq addımında da ölçülə bilən fayda görülməyib.
• 4–10 kV arasında aktuasiya gərginliyinin artırılması sınaqdan keçirilən şəraitdə FoM-u nəzərəçarpan dərəcədə artırmayıb.
• Güc əmsalındakı maksimum %7,66 azalma təcrübələrarası təxminən ±%2,5 variasiyadan daha böyükdür.
• Nəticələr DBD nəzarətinin orta səviyyədə ayrılmış axın şəraitində daha təsirli ola biləcəyi şərhi ilə uyğundur.

Tədqiqatın dəstəkləmədiyi və ya sınaqdan keçirmədiyi nəticələr

• Plazmanın qanaddakı ayrılma sahəsini dəqiq harada və nə qədər kiçiltdiyi birbaşa ölçülməyib.
• PIV, phase-locked PIV və ya ətraflı səth axını vizuallaşdırması aparılmayıb.
• 30° pərdə axının dəqiq stall quruluşu və ayrılma başlanğıcı birbaşa müəyyən edilməyib.
• Nəticələr irəli uçuş şəraitində doğrulanmayıb.
• Real çoxrotorlu PUA üzərində uçuş sınağı aparılmayıb.
• Fərqli airfoil, twist, chord paylanması və ya kommersiya pər həndəsələri sistematik şəkildə araşdırılmayıb.
• Aktuatorun uzunmüddətli eroziya, ekoloji dayanıqlıq və ya davamlı uçuş etibarlılığı qiymətləndirilməyib.
• Plazma enerji mənbəyinin təxminən 4 W istehlakı daxil edilməklə real batareya səviyyəsində xalis enerji qazancı ayrıca hesablanmayıb.
• Tədqiqat plazmanın bütün addım və RPM şəraitində səmərəliliyi artıracağını göstərmir.
• 4–10 kV intervalında nəticələrin oxşar olması bütün plazma aktuatorlarının gərginlikdən asılı olmadığını göstərmir.
• Aşağı tezlikli, rotorla və ya shear-layer dinamikası ilə sinxron aktuasiya sınaqdan keçirilməyib.
• Müşahidə olunan FoM artımının birbaşa UAV uçuş müddətində eyni faiz artımı yaradacağı göstərilməyib.

Tədqiqatın Metodu və Nəticələri

Təcrübə modeli və əsas parametrlər

Ölçmə etibarlılığı

Yük hüceyrəsinin kalibrasiya nəticəsi ±%2 ölçmə qeyri-müəyyənliyi, elektrik cərəyan sensorunun istehsalçı dəqiqliyi ±%1 olaraq göstərilib. Bir neçə təkrarda thrust və power nəticələrinin müşahidə olunan dəyişkənliyi təxminən ±%2,5-dir.

Bu son dəyər yalnız cihazların kataloq dəqiqliyini deyil, sınaqdan-sınağa yaranan ümumi eksperimental səpələnməni də ehtiva edir.

18° sınaq seriyasının fiziki mənası

18° addımlı pər tədqiqatın ətraflı zaman seriyası analizinin əsas halıdır. 2000–4000 RPM intervalında plazma açıldıqda RPM-in yüksəlməsi drag itkisini azaldığı şərhi ilə uyğun görülüb.

RPM yenidən eyni dəyərə tənzimləndikdə itələmə böyük ölçüdə qorunarkən mühərrikin daha az güc istehlak etməsi aerodinamik yükü artırmaqdan daha çox itki mexanizmlərinin azaldıldığı şərhini dəstəkləyir.

Güc əmsalı niyə vacibdir?

Xam elektrik gücü RPM ilə güclü şəkildə dəyişdiyi üçün fərqli iş sürətlərini yalnız watt ilə müqayisə etmək yanıltıcı ola bilər. \(C_P\) mühərrikin elektrik girişini hava sıxlığı, fırlanma sürəti və pər ölçüsü ilə normallaşdırır.

18° sınağında \(C_P\)-nin 2000 RPM-də %2,43, 2500 RPM-də %4,85, 3000 RPM-də %7,17 və 4000 RPM-də %7,66 azalması plazmanın ölçülən təsirinin yüksək sınaq sürətlərində daha nəzərəçarpan olduğunu göstərir.

FoM niyə daha çox artır?

FoM-un surətində \(C_T^{3/2}\), məxrəcində \(C_P\) olduğu üçün itələmə əmsalı təxminən qorunarkən güc əmsalının azalması FoM-u yüksəldir.

Buna görə 4000 RPM-dəki −%7,66 \(C_P\) dəyişməsi +%9,42 FoM dəyişməsinə uyğun gəlir. FoM artımının güc azalması ilə eyni faizdə olması gözlənilmir; riyazi tərifləri fərqlidir.

22° nəticəsi niyə ayrıca nəzərdən keçirilməlidir?

Addım bucağı skanında mənbə 15° üçün %4,2, 22° üçün %10,1 FoM artımı bildirir. Bu seriya 18° pərdə RPM-ə görə aparılan ətraflı Table 1 təcrübəsindən fərqli parametr skanıdır.

Buna görə %10,1 nəticəsi 18° Table 1-ə əlavə edilməməli; ayrıca 22° addım sınağının nəticəsi kimi saxlanmalıdır.

Mənbə xülasəsinin “maximum 9.42%” ifadəsi ilə nəticə bölməsindəki %10,1 arasında görünən uyğunsuzluq olduğuna görə Verianla hər iki dəyəri konteksti ilə qoruyur.

Gərginlik skanının nəticəsi

Figure 8, 18° addımlı pər üçün 4, 6, 8 və 10 kV tətbiqlərində 1500–4000 RPM arasında son FoM dəyərlərinin xəta zolağı daxilində bir-birinə çox yaxın olduğunu göstərir.

Buna görə daha yüksək gərginlik mövcud quruluşda ölçülə bilən əlavə FoM faydası yaratmayıb. Tədqiqat bu müşahidəni aktuatorun aerodinamik təsirində doyma ilə izah edir.

Gərginlik nəticəsi xalis enerji optimallaşdırması deməkdirmi?

Xeyr. Gərginlik skanı aerodinamik FoM nəticəsinə fokuslanır. Fərqli gərginliklərdə plazma enerji istehlakının ümumi vasitə enerji səmərəliliyinə təsirini əhatə edən ətraflı batareya səviyyəli optimallaşdırma aparılmayıb.

Deməli praktik UAV dizaynında yalnız aerodinamik FoM deyil, yüksək gərginlik güc elektronikası və plazma aktuatorunun öz istehlakı da birlikdə qiymətləndirilməlidir.

Təcrübənin güclü tərəfləri

• Plazma aktuasiyası həqiqətən fırlanan kiçik pər üzərində tətbiq edilib.
• 4000 RPM-ə qədər yüksək sürətli sınaq aparılıb.
• Yüksək gərginliyi fırlanan sistemə ötürən slip-ring infrastrukturu fiziki olaraq qurulub.
• Thrust, RPM və mühərrikin elektrik istehlakı eyni vaxtda izlənib.
• Plazma açıldıqdan sonra RPM-in başlanğıc dəyərinə qaytarılması daha nəzarətli performans müqayisəsi təmin edib.
• Fərqli addım bucaqları sınaqdan keçirilərək plazmanın iş pəncərəsi araşdırılıb.
• 4–10 kV gərginlik skanı aparılıb.
• Təkrar sınaqlarda eksperimental variasiya bildirilib.

Təcrübənin əsas məhdudiyyətləri

• Yalnız bir əsas airfoil və sadələşdirilmiş pər həndəsəsi istifadə edilib.
• Hovering xaricində forward-flight şəraiti qiymətləndirilməyib.
• Birbaşa PIV və ya səth axını ölçməsi aparılmayıb.
• Addıma görə ayrılma vəziyyəti dolayı performans göstəricilərindən şərh edilib.
• Aktuasiya tezliyi geniş və aşağı tezlikli skana məruz qoyula bilməyib.
• Hər sınaq şəraitindəki təkrar sayı açıq göstərilməyib.
• Formal statistik əhəmiyyət testi bildirilməyib.
• Uzunmüddətli elektrod/dielektrik dayanıqlığı sınaqdan keçirilməyib.
• Yüksək gərginlik sisteminin real UAV inteqrasiya çəkisi və güc elektronikası təsiri qiymətləndirilməyib.
• Plazma aktuatorunun öz enerji istehlakı daxil olmaqla tam batareya səviyyəli enerji balansı təqdim edilməyib.

Gələcək tədqiqatlar hansı sualları həll etməlidir?

Müəlliflər növbəti mərhələdə PIV kimi ətraflı axın görüntüləmə üsullarından istifadəni tövsiyə edirlər. Beləliklə hansı addım və radial bölgədə ayrılma yarandığı, plazma açıldıqda shear layer-in necə dəyişdiyi və reattachment-ın həqiqi miqyası birbaşa ölçülə bilər.

Aktuator həndəsəsi və elektrod yerləşdirilməsinin optimallaşdırılması, daha aşağı və tənzimlənə bilən aktuasiya tezlikləri, fərqli pər dizaynları və irəli uçuş şəraiti də əsas gələcək iş sahələri arasındadır.

Tədqiqatın mühəndislik baxımından əsas mesajı

Araşdırmanın ən güclü nəticəsi DBD plazma aktuatorunun kiçik fırlanan pərdə yalnız “plazma yaradıla bildiyini” göstərməklə məhdudlaşmamasıdır. Müəyyən addım və fırlanma sürəti şəraitində mühərrikin elektrik istehlakı ölçülə bilən şəkildə azalarkən thrust təxminən qorunub.

Buna qarşılıq nəticələr aktiv axın nəzarətinin bir iş pəncərəsi olduğunu da göstərir. Axının böyük ölçüdə yapışmış olduğu düşünülən aşağı addımlarda idarə ediləcək itki azdır; çox güclü ayrılmanın gözlənildiyi 30° şəraitində isə mövcud aktuator kifayət qədər idarəetmə səlahiyyətinə malik görünmür.

Deməli DBD plazma aktuasiyası bu tədqiqatın məlumatlarına görə “hər şəraitdə pər səmərəliliyini artıran” texnologiya deyil, müəyyən aerodinamik rejimlərdə itki azaltma potensialı göstərən aktiv axın nəzarəti üsuludur.

Mənbə və Metod Qeydi

Tam orijinal tədqiqat adı: Experimental Analysis of Flow Separation Control on UAV Propellers Using Dielectric Barrier Discharge Plasma Actuators

Müəlliflər: Abdallah Samad; Kayde Bowers; Harsha Sista; Anvesh Dhulipalla; Hui Hu.

Müəllif sırası: Mənbədəki orijinal sıra olduğu kimi qorunub.

Bərabər töhfə/bərabər birinci müəllif: Mənbədə göstərilməyib.

Məsul müəlliflər: Abdallah Samad və Hui Hu.

Qurumlar: Department of Aerospace Engineering, Iowa State University, Ames, Iowa, USA; Department of Mechanical Engineering, American University of Bahrain, Al-Riffa, Bahrain; Department of Mechanical Engineering, Pennsylvania State University, University Park, Pennsylvania, USA.

Mənbə növü: Rəyli eksperimental tədqiqat məqaləsi. Fiziki olaraq fırlanan kiçik UAV pərləri üzərində AC-DBD plazma aktuasiyası tətbiq edilib; thrust, RPM və elektrik mühərrik güc istehlakı laboratoriya şəraitində ölçülüb.

Jurnal: Aerospace

Nəşriyyat: MDPI

Cild / say / məqalə nömrəsi: 13(8), 668

Nəşr tarixi: 26 iyul 2026

DOI: 10.3390/aerospace13080668

Rəsmi nəşr keçidi: https://www.mdpi.com/2226-4310/13/8/668

DOI keçidi: https://doi.org/10.3390/aerospace13080668

Rəyləndirmə statusu: Tədqiqat rəyli Aerospace jurnalında dərc edilmiş tədqiqat məqaləsidir.

Lisenziya: Creative Commons Attribution (CC BY) açıq giriş lisenziyası.

Maliyyələşdirmə: Araşdırma Army Research Office tərəfindən W911NF2410251 müqavilə nömrəsi ilə və National Science Foundation tərəfindən CBET-1935363 və CBET-2313310 mükafat nömrələri çərçivəsində qismən dəstəklənib.

Məlumat əlçatanlığı: Məlumatların tələb əsasında əldə edilə bildiyi bildirilib.

Təşəkkür: Müəlliflər təcrübə qurğusunun montajındakı dəstəyə görə Iowa State University-dən James Benson və Andrew Jordan-a təşəkkür edirlər.

Maraqlar toqquşması: Müəlliflər maraqlar toqquşması bildirməyiblər.

Müəllif töhfəsi mənbə qeydi: Mənbədəki Author Contributions sətri “A.S., K.B. and H.H.; Methodology, A.S.; Validation...” şəklində başlayır. İlk üç adın qarşısında CRediT rolu görünmədiyinə görə Verianla çatışmayan rolu fərziyyə ilə tamamlamayıb. Mənbə açıq şəkildə metodologiya A.S.; doğrulama A.S., K.B., H.S. və H.H.; formal analiz A.S., H.S. və A.D.; araşdırma A.S., K.B., H.S. və A.D.; resurslar H.H.; məlumat kurasiyası A.S., K.B., H.S. və A.D.; ilkin layihə A.S.; nəzərdən keçirmə və redaktə A.S. və H.H.; nəzarət, layihə idarəçiliyi və maliyyələşdirmənin əldə edilməsini H.H. olaraq verir.

Xülasə–nəticə FoM uyğunsuzluğu: Məqalənin xülasəsi maksimum FoM artımını %9,42 olaraq bildirir. Bu dəyər 18° addımlı pərin 4000 RPM Table 1 təcrübəsidir. Buna qarşılıq addım bucağı skanının nəticə mətni 22° üçün %10,1 FoM artımı bildirir. Verianla iki rəqəmi kontekstləri ilə ayrı saxlayıb və birini səssizcə digərinin yerinə qoymayıb.

İtələmə əmsalı uyğunsuzluğu: Table 1-də 2500 RPM üçün ΔC_T +%0,91-dir. Həmin bölmənin davamında mətn maksimum thrust coefficient variation dəyərinin %0,7-dən kiçik olduğunu bildirir. Cədvəl ilə cümlə uyğun gəlmədiyinə görə Verianla əsas qiymətləndirmədə cədvəldəki dəqiq dəyərləri əsas götürüb və mənbədaxili fərqi açıq şəkildə qeyd edib.

FoM enerji əhatəsi qeydi: Məqalə FoM hesabında mil gücü əvəzinə elektrik giriş gücü ölçüldüyünə görə göstəricisini system-level FoM adlandırır. Həmin tədqiqat DBD plazma aktuatorunun təxminən 4 W güc istehlakını ayrıca hesablayıb. Lakin bu təxminən 4 W-ın FoM hesabındakı \(P\) dəyərinə daxil edilib-edilmədiyi açıq şəkildə göstərilmir. Buna görə bildirilən FoM artımı tam mühərrik + plazma + güc elektronikası xalis sistem səmərəliliyi kimi yenidən şərh edilməyib.

Axın ayrılmasının doğrulama sərhədi: Tədqiqatda axın sahəsi PIV və ya oxşar üsulla birbaşa ölçülməyib. Aşağı addımlarda axının yapışmış, orta addımlarda ayrılmış və 30°-də daha güclü ayrılmış olması şərhləri RPM, thrust və motor power dəyişmələri ilə əvvəlki aerodinamik biliyə əsaslanır. Verianla bunları birbaşa görüntülənmiş ayrılma xəritəsi kimi təqdim etməyib.

Eksperimental əhatə: Əsas sınaq modeli ikiqanadlı, 114 mm radiuslu, 22 mm sabit xordlu, burulmamış NACA 4412 pəridir. Təcrübələr hovering şəraitində, gələn sərbəst axın olmadan və 4000 RPM-ə qədər aparılıb.

Ölçmə qeyri-müəyyənliyi: Yük hüceyrəsinin göstərilən ölçmə qeyri-müəyyənliyi ±%2, elektrik cərəyanı ölçmə sisteminin dəqiqliyi ±%1 və təkrarlanan thrust/power təcrübələrində müşahidə olunan ümumi dəyişkənlik təxminən ±%2,5-dir. Tədqiqat ətraflı p-dəyəri və ya etibar intervalı analizi bildirmir.

Elmi sərhəd: Tapıntılar fiziki laboratoriya təcrübəsidir, lakin real UAV uçuş sınağı deyil. İrəli uçuş, fərqli pər həndəsələri, uzunmüddətli plazma elektrod dayanıqlığı, real vasitənin çəki/güc büdcəsi və inteqrasiya olunmuş batareya enerji qazancı tədqiqatın əhatəsində deyil.

Məzmun istehsal üsulu: Bu Verianla açıqlamasındakı təcrübə şəraiti, mexanizmlər, tənliklər, ölçmə dəyərləri, qrafik şərhləri və məhdudiyyətlər araşdırılan mənbə tədqiqata əsaslanır. Xarici doğrulama yalnız tədqiqat kimliyi, rəsmi nəşr qeydi və jurnalın rəyləndirmə statusu ilə məhdudlaşdırılıb; xarici mənbələrdən yeni eksperimental performans dəyəri və ya mənbədə olmayan aerodinamik nəticə əsas məqaləyə əlavə edilməyib.