Separation control by means of oriented DBD plasma actuators: an experimental analysis in a wind tunnel

This thesis provides an experimental analysis of the effectiveness of oriented DBD plasma actuators over a NACA 0015 airfoil at low Reynolds numbers. Tests were performed in partnership with the Department of Electrical Engineering of Bologna University, in the wind tunnel of the Applied Aerodynamics Laboratory of Aerospace Engineering faculty. Lift coefficient measurements were carried out in order to verify how an oriented plasma jet succeeds in prevent boundary layer separation. Both actuators’ chord wise position and plasma jet orientation angle have been investigated to examine which configurations lead to the best results. A particular attention has been paid also to the analysis of results in steady and unsteady plasma actuation. Questa tesi offre un’analisi sperimentale sull’efficacia di attuatori al plasma orientabili, basati su una tecnologia DBD, installati su un profilo alare NACA 0015, a bassi numeri di Reynolds. Le prove sono state condotte in collaborazione con il Dipartimento di Ingegneria Elettrica dell’Università di Bologna, nella galleria del vento del Laboratorio di Aerodinamica Applicata della Facoltà di Ingegneria Aerospaziale di Forlì. Per verificare come un getto orientabile di plasma riesca a prevenire la separazione dello strato limite, sono state eseguite misure sul coefficiente di portanza. Sono state indagate sia la posizione degli attuatori lungo la corda che l’angolo con cui è orientato il getto di plasma, per vedere quali configurazioni conducono ai migliori risultati. Una particolare attenzione è stata riservata all’analisi dei risultati ottenuti con plasma continuo e pulsato.

Trattamento plasma assistito di acqua con una sorgente Dielectric Barrier Discharge (DBD): analisi delle specie reattive prodotte e potere battericida

La proliferazione di batteri in liquido è una problematica che riguarda anche le acque di fiumi e mari. In questo progetto di tesi sperimentale si indagherà un trattamento plasma assistito diretto di acqua sintetica riprodotta in laboratorio con l’obiettivo di ottenere un effetto battericida sul liquido contaminato. L’acqua trattata verrà analizzata chimicamente, in particolare si andranno a misurare i TRO (Total Residual Oxidant, composti dell’ossigeno derivanti dalla parziale ozonizzazione dell’acqua) che dovranno essere presenti in quantità minori di 0,1 mg/l. Il dispositivo utilizzato per i test biologici è una sorgente di tipologia DBD (Dielectric Barrier Discharge) indiretto. Gli elettrodi della sorgente sono separati dal solo strato di materiale dielettrico e uno di questi è composto da una rete metallica in acciaio inossidabile. Il plasma si forma tra le maglie della rete e induce la formazione di specie reattive, radiazioni UV, particelle cariche, campi elettromagnetici e calore. Ciò che raggiunge la soluzione contaminata è l’afterglow del plasma, ovvero tutte le specie reattive a lunga vita prodotte dalla ionizzazione dell’aria e dalle radiazioni UV. La sorgente è stata dapprima caratterizzata elettricamente studiando le forme d’onda di tensione e corrente a determinate condizioni operative. Il liquido da trattare è contaminato con il batterio Escherichia coli. è emerso che in tutti i casi testati i livelli degli ossidanti sono entro il limite prestabilito di 0,1 mg/l. Il trattamento plasma in soli 10 secondi è responsabile di una decontaminazione parziale del batterio E. coli. Da ulteriori studi si potranno trovare delle condizioni tali da inattivare totalmente la carica batterica presente date le grandi potenzialità di questo trattamento.

Experimental analysis of a separation control device based on plasma technology

In this thesis effects of plasma actuators based on Dielectric Barrier Discharge (DBD) technology over a NACA 0015 bidimensional airfoil have been analyzed in an experimental way, at low Reynolds number. Work developed on thesis has been carried on in partnership with the Department of Electrical Engineering of Università di Bologna, inside Wind Tunnel of the Applied Aerodynamic Laboratory of Aerospace Engineering faculty. In order to verify the effectiveness of these active control devices, the analysis has shown how actuators succeed in prevent boundary layer separation only in certain conditions af angle of attack and Reynolds numbers. Moreover, in this thesis actuators’ chordwise position effect has been also analyzed, together with the influence of steady and unsteady operations.

Realizzazione e caratterizzazione chimico-fisica di una sorgente di plasma di non equilibrio operante a pressione atmosferica per la modifica superficale di materiali polimerici in ambiente controllato

Il plasma, quarto stato della materia, rappresenta un gas ionizzato in cui ioni ed elettroni si muovono a diverse energie sotto l’azione di un campo elettro-magnetico applicato dall’esterno. I plasmi si dividono in plasmi di equilibrio e di non equilibrio termodinamico, quest’ultimi sono caratterizzati da un’alta temperatura elettronica (oltre 10000 K) e da una bassa temperatura traslazionale degli ioni e delle specie neutre (300-1000 K). I plasmi di non equilibrio trovano largo impiego nella microelettronica, nei processi di polimerizzazione, nell’industria biomedicale e del packaging, consentendo di effettuare trattamenti di sterilizzazione e attivazione superficiale. Il lavoro di tesi è incentrato sui processi di funzionalizzazione e polimerizzazione superficiale con l’obbiettivo di realizzare e caratterizzare sorgenti di plasma di non equilibrio a pressione atmosferica operanti in ambiente controllato. È stata realizzata una sorgente plasma operante a pressione atmosferica e in ambiente controllato per realizzare trattamenti di modifica superficiale e di polimerizzazione su substrati polimerici. L’efficacia e l’omogeneità dei trattamenti eseguiti sono stati valutati tramite misura dell’angolo di contatto. La caratterizzazione elettrica ha consentito di determinare i valori di densità di energia superficiale trasferita sui substrati al variare delle condizioni operative. Lo strato depositato durante il processo di polimerizzazione è stato analizzato qualitativamente tramite l’analisi chimica in spettroscopia infrarossa. L’analisi delle prove di funzionalizzazione dimostra l’uniformità dei processi plasma eseguiti; inoltre i valori dell’angolo di contatto misurati in seguito ai trattamenti risultano confrontabili con la letteratura esistente. Lo studio dei substrati trattati in atmosfera satura d’azoto ha rivelato una concentrazione superficiale di azoto pari al 3% attribuibile alla presenza di ammine, ammine protonate e gruppi ammidici; ciò conferma la bontà della soluzione realizzata e dei protocolli operativi adottati per la funzionalizzazione delle superfici. L’analisi spettroscopica dei trattamenti di polimerizzazione, ha fornito spettri IR confrontabili con la letteratura esistente indicando una buona qualità del polimero depositato (PEG). I valori misurati durante la caratterizzazione elettrica della sorgente realizzata risulteranno fondamentali in futuro per l’ottimizzazione del dispositivo. I dati raccolti infatti, determineranno le linee guida per il tailoring dei trattamenti plasma e per lo sviluppo della sorgente. Il presente lavoro di tesi, pur prendendo in esame una piccola parte delle applicazioni industriali dei plasmi non termici, conferma quanto queste siano pervasive nei comuni processi industriali evidenziandone le potenzialità e i numerosi campi d’applicazione. La tecnologia plasma è destinata ad essere imprescindibile per la ricerca di soluzioni innovative ai limiti dei processi tradizionali.

Uso del gas plasma per l'inattivazione di listeria monocytogenes in sistema modello e vegetali

Negli ultimi anni è aumentato l’interesse dell’industria verso lo sviluppo di tecnologie alternative ai trattamenti tradizionali degli alimenti. Tra le varie tecnologie non termiche troviamo il gas plasma. Il plasma è un gas ionizzato neutro, composto da diverse particelle. I principali agenti responsabili dell’azione battericida sembrano essere le specie reattive dell’ossigeno e dell’azoto, causando danni alle cellule microbiche. Recentemente si sta studiando l’“acqua plasmata attivata”. L’obiettivo generale di questa tesi è stato quello di verificare se trattamenti al plasma di soluzioni saline (NaCl 0.9%) possano “attivarle” dotandole di attività battericida nei confronti di un ceppo di Listeria monocytogenes (ceppo 56 Ly) e di stabilire se il materiale con cui sono costruiti gli elettrodi di un generatore di plasma del tipo DBD, possa influenzare l’efficacia delle soluzioni trattate. Si sono pertanto effettuati trattamenti al plasma di soluzioni saline utilizzando elettrodi di differenti materiali: vetro, ottone, acciaio, argento; le soluzioni così ottenute sono state analizzate in termini chimici, e se ne è valutata l’azione decontaminante nei confronti di Listeria monocytogenes 56 Ly nello stesso sistema modello e, in via preliminare, in sistema reale rappresentato da carote julienne deliberatamente contaminate con L. monocytogenes. Dai risultati ottenuti si è visto che la sensibilità di L. monocytogenes 56Ly alle soluzioni acquose trattate al plasma è influenzato sia dal tipo di materiale dell’elettrodo, sia dal tempo di esposizione. L’acciaio si è rivelato il materiale più efficace. Per quanto concerne il sistema reale, il lavaggio con acqua plasmata per 60 minuti ha determinato un livello di inattivazione di circa 1 ciclo logaritmico analogamente a quanto ottenuto con la soluzione di ipoclorito. In conclusione, i risultati ottenuti hanno evidenziato una minore efficacia dei trattamenti al plasma quando applicati ai sistemi reali, ma comunque il gas plasma ha delle buone potenzialità per la decontaminazione prodotti ortofrutticoli.

Progettazione, realizzazione e caratterizzazione funzionale di sorgenti di plasma atmosferico di non equilibrio per l'idrofobizzazione di fibre tessili

L’attività di tesi ha previsto la progettazione e realizzazione di sorgenti di plasma di non equilibrio a pressione atmosferica e l’individuazione delle condizioni operative ottimali per l’idrofobizzazione di materiali tessili. La prima parte delle attività di tesi hanno riguardato lo studio e l’approfondimento della letteratura scientifica al fine di individuare le sorgenti e i processi plasma assistiti per l’idrofobizzazione dei materiali. Relativamente alle sorgenti di plasma di non-equilibrio a pressione atmosferica, studi di letteratura riportano che sorgenti di tipo APPJ (Atmospheric Pressure Plasma Jet) consentono di effettuare un trattamento localizzato in un punto, mentre sorgenti DBD (Dielectric Barrier Discharge) risultano idonee a trattamenti di materiali large area. Per quanto riguarda i processi plasma assistiti, sulla base di quanto riportato in letteratura il processo di idrofobizzazione può avvenire principalmente mediante polimerizzazione di gas organici contenenti fluoro, introdotti nella regione di plasma, con la conseguente deposizione di coating fluorurati. Le attività sperimentali condotte durante la tesi hanno avuto l’obbiettivo di valutare la possibilità di rendere idrofobico un filato di fibra tessile naturale mediante l’utilizzo di una sorgente plasma jet operante con miscela di argon e gas organoflorurato. Il filato, messo in moto a diverse velocità, è stato fatto transitare attraverso la piuma di plasma. In particolare, si è passati da una velocità di movimentazione di 1 m/min a una di 10 m/min. I risultati ottenuti hanno evidenziato che maggiore è la velocità di movimentazione del filato attraverso la piuma di plasma, minore è il grado di idrofibizzazione raggiungibile sul filato stesso, in quanto minore è il tempo di esposizione del materiale al plasma. Infine, nell’ultima parte dell’attività di tesi, è stata progettata una sorgente DBD, che caratterizzata da una maggiore area di generazione del plasma rispetto alla sorgente plasma jet, consente di incrementare il tempo di esposizione del filato al plasma a parità di velocità di movimentazione del filato.

Caratterizzazione fisico-chimica di una sorgente di plasma freddo per trattamento di packaging alimentare

I plasmi freddi a pressione atmosferica (CAP) generati da scariche a barriera dielettrica (DBD) sono oggetto di studio e sviluppo per una gamma sempre più ampia di applicazioni in ambito biomedico e industriale come la sanificazione di alimenti e di packaging termosensibili. La sorgente sviluppata in questo progetto di tesi viene definita PASS, Plasma Assisted Sanification System essa è composto da una sorgente di plasma sDBD (surface dielectric barrier discharge), una camera di trattamento, un sistema di raffreddamento e un generatore di alta tensione. Questo progetto si concentra sulla caratterizzazione fisico-chimica di una sorgente di plasma sDBD sviluppata dal gruppo di ricerca in Applicazioni Industriali dei Plasmi (AIP - DIN - Alma Mater Studiorum). In primo luogo è stata svolta una caratterizzazione elettrica della sorgente variando la potenza agendo direttamente sul duty cycle da 100% a 10% tramite due metodi: un metodo convenzionale e con il metodo di Lissajous inserendo una capacità monitor C0 pari a 90,95 nF . Successivamente è stata studiata la cinetica delle concentrazioni di O3 e NO2 in fase gas mediante misure OAS. È stata inoltre monitorata la temperatura all’interno della camera di trattamento per verificare l’ipotesi di assenza di effetti termici durante il trattamento. Un’altra importante applicazione della sorgente di plasma utilizzata in questo è la produzione di acqua attivata al plasma (Plasma Activated Water, PAW). Le specie reattive dell’ossigeno (Reactive Oxygen Species, ROS) e dell’azoto (Reactive Nitrogen Species, RNS), vengono assorbite dal liquido dando origine a ulteriori reazioni chimiche come NO3-, NO2-, H2O2. I RONS influenzano e controllano molti processi nelle piante e sono responsabili del miglioramento della crescita delle piante. Per ogni campione di acqua attivata (PAW) sono stati misurati pH, conducibilità confrontati con la soluzione non trattata e concentrazione di specie reattive quali: H2O2, NO2- e NO3- .