شبیه سازی عددی حرکت قطره آب نمک در میدان الکتریکی یکنواخت

نوع مقاله : پژوهشی کامل

نویسندگان

1 دانشجوی کارشناسی ارشد، مهندسی مکانیک، دانشگاه علوم و فنون مازندران، بابل، ایران

2 استادیار، مهندسی مکانیک، دانشگاه علوم و فنون مازندران، بابل، ایران

3 استادیار، مهندسی مکانیک، موسسه آموزش عالی روزبهان، ساری، ایران

چکیده

در مطالعه حاضر، اثر میدان الکتریکی یکنواخت روی هیدرودینامیک قطره آب نمک در نفت خام مورد بررسی قرار گرفته است. برای این منظور، از نرم افزار کامسول (COMSOL) که بر اساس روش المان محدود می­باشد، استفاده می­شود. نتایج حاصل با نتایج در دسترس، مورد اعتبار سنجی قرار گرفته است و توافق خوبی مشاهده شده است. اثر پارامترهای متفاوت از جمله عدد کپیلاری الکتریکی، عدد رینولدز، جهت میدان الکتریکی و نفوذپذیری الکتریکی نسبی سیال روی فرایند حرکت یک قطره منفرد آب نمک در نفت خام تحت میدان الکتریکی بررسی شده است. نتایج نشان می­دهد که تنش­های الکتریکی که بر سطح مشترک قطره وارد می­شوند، سبب تغییر شکل قطره و کشیدگی آن در راستای میدان الکتریکی می­گردند. مقدار این تغییر شکل با افزایش نسبت نیروی الکتریکی به کشش سطحی (عدد کپیلاری الکتریکی) بیشتر می‌شود. همچنین، فرآیند حرکت قطره تحت میدان الکتریکی در راستای عمود در زمان طولانی‌تری نسبت به راستای میدان الکتریکی افقی، در شرایط یکسان، اتفاق می‌افتد. از اینرو، میدان الکتریکی خارجی یکنواخت می­تواند برای کنترل غیرتماسی حرکت قطره مورد استفاده قرار گیرد.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


[1]  Yang C. G., Xu Z. R., and Wang, J. H., Manipulation of droplets in microfluidic systems. TrAC Trends in Analytical Chemistry, Vol. 29, No. 2, pp. 141-157, 2010.
[2]   Giani G., Fedi, S., and Barbucci, R., Hybrid magnetic hydrogel: A potential system for controlled drug delivery by means of alternating magnetic fields. Polymers, Vol. 4, No. 2, pp. 1157-1169, 2012.
[3]   Guduru R., Liang P., Runowicz C., Nair M., Atluri V., and Khizroev, S., Magneto-electric nanoparticles to enable field-controlled high-specificity drug delivery to eradicate ovarian cancer cells. Scientific reports, Vol. 3, No. 1, pp. 1-8, 2013.
[4]   Baygents J. C., Rivette N. J., and Stone H. A., Electrohydrodynamic deformation and interaction of drop pairs. Journal of Fluid Mechanics, Vol. 368, pp. 359-375, 1998.
[5]   Eow J. S., and Ghadiri M., Motion, deformation and break-up of aqueous drops in oils under high electric field strengths. Chemical Engineering and Processing: Process Intensification, Vol. 42, No. 4, pp. 259-272, 2003.
[6]  Zhang J., and Kwok D. Y., A 2D lattice Boltzmann study on electrohydrodynamic drop deformation with the leaky dielectric theory. Journal of Computational Physics, Vol. 206, No. 1, pp.150-161,2005.
[7]   Paknemat H., Pishevar A.R., Pournaderi P., Numerical Simulation of Drop Deformations and Breakup Modes Caused by Direct Current Electric Fields. Physics of Fluids Vol. 24, 102101, 2012. 
[8]  Rahimpour M. R.,and  Roshan, N., Population Balance Equation Modeling of Crude Oil Demulsification Considering Demulsifier: Modification of Collision Frequency Function Based on Thermodynamic Model. International Journal of Engineering, Vol. 30, No. 10, pp. 1434-1442, 2017.
[9]   Zhang J., Movement of dispersed droplets of W/O emulsion in a uniform DC electrostatic field: Simulation on droplet coalescence. Chinese Journal of Chemical Engineering, Vol. 23, No. 9, pp. 1453-1459, 2015.
[10]             Hosseini M., Coalescence behaviour of water droplets in water‐oil interface under pulsatile electric fields. Chinese Journal of Chemical Engineering, Vol. 24, No. 9, pp. 1147-1153, 2016.
[11]             Mhatre S., Dielectrophoretic motion and deformation of a liquid drop in an axisymmetric non-uniform AC electric field. Sensors and Actuators B: Chemical, Vol. 239, pp. 1098-1108, 2017.
[12]              Esmaeeli A., and Abdul Halim Md., Electrohydrodynamics of a liquid drop in AC electric fields. Acta Mech., Vol. 229, pp. 3943–3962, 2018.
[13]              Wang Z., Dong, K., Tian L., Wang J., and Tu J., Numerical study on coalescence behavior of suspended drop pair in viscous liquid under uniform electric field. AIP Advances, Vol. 8, No. 8, pp. 085215, 2018.
[14]             Nazari H., and Pournaderi P., Simulation of Hydrodynamic Behavior of a Conductive Drop Under an Electric Field. Amirkabir journal of mechanical engineering, Vol. 51, No. 2, pp. 297-312, 2019.
[15]             Moosavi A., and Izadi R., Numerical Study of the Dynamics of Non-Newtonian Carreau Droplets under Electrowetting phenomenon. Amirkabir journal of mechanical engineering, Vol. 53, 2021.
[16]             Yin H.,  Luo X.,  Xu K.,  Yan H., and He L., Electrocoalescence Kinetics of Binary Droplets in a Viscous Fluid. Chemical Engineering Science, Vol. 224, No. 12, pp. 5-19, 2020.
[17]             Hosseini M., Arasteh H., HassanzadehAfrouzi, H., and Toghraie, D., Numerical Simulation of a Falling Droplet Surrounding by Air under Electric Field Using VOF Method: A CFD study. Chinese Journal of Chemical Engineering, Vol. 28, No. 12, pp. 2977-2984, 2020.
[18]              Osher S., and Sethian J. A., Fronts propagating with curvature-dependent speed: algorithms based on Hamilton-Jacobi formulations. Journal of computational physics, Vol. 79, No. 1, pp. 12-49, 1988.
[19]              Baygents J. C., Rivette N. J., and Stone H. A., Electrohydrodynamic deformation and interaction of drop pairs. Journal of Fluid Mechanics, Vol. 368, pp. 359-375, 1998.
[20]              Taylor G.I., Disintegration of water drops in an electric field. Proc. Roy. Soc. Lond. AMath. Phys. Sci., Vol. 280, pp. 383-391, 1964.
[21]             Tomar G., Gerlach D., Biswas G., Alleborn N. and Sharma, A., Two-phase electrohydrodynamic simulations using a volume-of-fluid approach. Journal of Computational Physics, Vol. 227, pp. 1267–1285, 2007.
[22]              Hua J.-S., Lim L.-K. and Wang C.-H., Numerical simulation of deformation/motion of a droplet suspended in viscous liquids under influence of steady electric field. Phys. Fluid, Vol. 20, pp. 11302–11317, 2008.
[23]              Saville D.A. Electrohydrodynamics: the Taylor-Melcher Leaky Dielectric Model, Annual Review of Fluid Mechanics, Vol. 29,No. 1, pp. 27-64, 1997.
[24]              Taylor G., Study in Electrohydrodynamics. I. The Circulation Produced in a Drop by Electric Field, Mathematical, Physical & Engineering Science, Vol. 291 No. 9, pp. 159-167, 1996.