Modelos numéricos integrados con experimentos para el control aerodinámico con actuadores electrohidrodinámicos

Título

Modelos numéricos integrados con experimentos para el control aerodinámico con actuadores electrohidrodinámicos

Colaborador

Artana, Guillermo O.

Editor

Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ingeniería

Fecha

2025-11-18

Extensión

132 p.

Resumen

Este trabajo de tesis se enfoca en la compleja interacción entre los campos de forzado de los actuadores de plasma y los campos de velocidad resultantes, cuya acabada descripción ha sido elusiva para la comunidad científica por años. El objetivo general de la investigación fue lograr desarrollar una metodología que contribuyera a alcanzar una mejor comprensión de esta relación abordando tres cuestiones fundamentales: cómo la forma de onda de tensión de excitación impacta la potencia mecánica de salida del actuador; qué tipo de campos de velocidad se inducen en un fluido en reposo bajo condiciones de forzado simplificadas; y, finalmente, cómo determinar la distribución espaciotemporal de la fuerza a partir de mediciones de velocidad. A través de la estrategia planteada, que combina teoría, optimización experimental y métodos numéricos avanzados, esta tesis contribuye al perfeccionamiento de la tecnología de actuación por plasma. En un primer abordaje, se desarrolla un método experimental que utiliza un algoritmo de programación genética (GPA por sus siglas en inglés) para optimizar las formas de onda de excitación, logrando mejorar la eficiencia de conversión electromecánica y destacando la importancia de parámetros de las formas de onda como la razón entre los ciclos positivos y negativos, el factor de forma y la disipación de energía interna. Luego, se establecen las bases teóricas del forzado sobre un fluido mediante el análisis de soluciones autosimilares para la capa límite de esfuerzo tangencial restringido (SCBL, por sus siglas en inglés), que permiten comprender las características del flujo inducido en condiciones simplificadas. Finalmente, se resuelve el desafío de la caracterización del campo de forzado mediante un método 4DVar de asimilación variacional de datos, que reconstruye la distribución de la fuerza sin suposiciones a priori sobre su forma, lo que permite sentar las bases para aclarar la física del acople entre la descarga del plasma y el flujo.
This thesis work focuses on the complex interaction between the forcing fields of plasma actuators and the resulting velocity fields, whose detailed description has been elusive for the scientific community for years. The general objective of the research was to develop a methodology that contributes to a better understanding of this relationship by addressing three fundamental questions: how the excitation waveform impacts the actuator’s output mechanical power; what type of velocity fields are induced in a resting fluid under simplified forcing conditions; and, finally, how to determine the spatiotemporal distribution of the force from velocity measurements. Through the prop, which combines theory, experimental optimization, and advanced numerical methods, this thesis contributes to the refining of plasma actuation technology. Initially, an experimental method is developed using a genetic programming algorithm (GPA) to optimize excitation waveforms, achieving an improvement in electromechanical conversion efficiency and emphasizing the importance of waveform parameters such as the ratio between positive and negative cycles, the form factor, and internal energy dissipation. Subsequently, the theoretical foundations of forcing in a fluid are established by analyzing self-similar solutions for the stress-constrained boundary layer (SCBL), which allow for the understanding and characterization of the flow induced under simplified conditions. Lastly, the challenge of characterizing the forcing field is addressed with a 4DVar variational data assimilation method, which accurately reconstructs the force distribution without a priori assumptions about its distribution, thereby clarifying the physics of the coupling between the plasma discharge and the induced flow.