مدلسازی عددی دینامیک قطرات باردار در افشانه الکتروهیدرودینامیکی با در نظر گرفتن فروپاشی اولیه

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 گروه مهندسی مکانیک، دانشگاه شهید مدنی آذربایجان، تبریز، ایران

2 استادیار، پژوهشکده انرژی، پژوهشگاه مواد و انرژی، تهران، ایران

3 دانشیار، دانشکده مهندسی هوا فضا، دانشگاه صنعتی خواجه نصیرالدین طوسی، تهران، ایران

چکیده

اندازه قطرات و توزیع مولفه­های سرعت محوری و شعاعی قطرات در یک الکترواسپری تولید شده از مخروط تیلور، توسط توسعه یک کد کامپیوتری در محیط FORTRAN، مدل شده است. دینامیک قطرات با درنظرگرفتن جریان دو-فازی رقیق و روش لاگرانژی، شبیه­سازی شده و تاثیر هوای ساکن اطراف آن بصورت یکطرفه لحاظ گردیده است. مدلی نیز برای تعیین قطر اولیه قطرات و فاصله فروپاشی اولیه جت ارائه شده که قادر به محاسبه فروپاشی اولیه است. این مدل به صورت تابعی از دبی، فاصله نازل تا صفحه زیرین، ولتاژ اعمالی، و مشخصات سیال  در یک میدان الکتریکی بصورت الکتروهیدرودینامیکی دو-بعدی شبیه سازی شده است. تغییر اندازه قطرات در عبور از اسپری بدلیل تبخیر تا رسیدن به حد رایلی در نظر گرفته شده است. در مدل بکار رفته سیال عامل به صورت سیال لزج و تراکم ناپذیر در هوای ساکن تک دما لحاظ و میدان الکتریکی خارجی با اعمال اختلاف پتانسیل الکتریکی بین نازل و صفحه زیرین ایجاد گردیده است. در نهایت توزیع مکانی، زاویه چتراسپری، اندازه و سرعت آنها با نتایج آزمایشگاهی مقایسه شده است که نشان دهنده مطابقت خوب نتایج ارائه شده می­باشد.

کلیدواژه‌ها


[1]     Gomez A., Tang K., Charge and Fission of Droplets in Electrostatic Spray, Phys. Fluids, Vol. 6, pp. 404-414, 1994.
[2]     Rayleigh L., On the Conditions of Instability of Electrified Drops, Proc. Roy. Soc., Vol. 29, pp. 71–83, 1879.
[3]     Dawson G.A., Charge Loss Mechanism of Highly Charged Water Droplets in the Atmosphere, J. Geophysical Research Atmosphere, Vol. 78, No. 27,  pp. 6364-6369, 1973.
[4]     Chen C., Gomez A., Counter Flow Diffusion Flames of Quasi-Monodisperse Electrostatic Sprays, in 24th symp. (int.) Combustion, Pittsburgh, PA, 1992.
[5]     Taflin D. C., Ward T. L., Davis E. J., Electrified droplet fission and Rayleigh limit, Langmuir, Vol. 5, No. 2, pp. 376-384, 1989.
[6]     ROTH D., KELLY A.J., Analysis of the Disruption of Evaporating Charged Droplets, IEEE Transactions on Industry Applications, Vol. IA-19, NO. 5, 1983.
[7]     Shrimpton J.S., Dielectric Charged Drop Break-up at Sub-Rayleigh Limit Conditions, IEEE Trans. Dielectrics Elec. Insul., Vol. 12, pp. 573-578, 2005.
[8]     Kebarle P., Tang L., From Ion in Solution to Ion in Gas Phase- The Mechanism of Electrospray Mass Spectrometry, Anal. Chem., Vol. 65, No. 22, pp. 972A–986A, 1993.
[9]     López J. M., Gañán-Calvo A. M., A Note on Charged Capillary Jet Breakup of Conducting Liquids: Experimental Validation of a Viscous One Dimensional Model, Journal of Fluid Mechanics, Vol. 501, pp. 303- 326, 2004.
[10]  Wilhelm O., Electrohydrodynamic Spraying-Transport, Mass and Heat Transfer of Charged Droplets and Their Application to Deposition of Thin Functional Films, in Science, PhD Thesis, University of Tubingen, Zurich , 2004.
[11]  Gañán-Calvo A. M., López J. M., Chueca P. R., The combination of electrospray and flow focusing, Journal of Fluid Mechanics, Vol. 566, pp. 421- 445, 2006.
[12]  López J. M., Chueca P. R., Gañán-Calvo A. M., Linear Stability Analysis of Axisysmetric Perturbations in Imperfectly Conducting Liquid Jets, Physics of Fluids, Vol. 17, pp. 3-25, 2005.
[13]  López J. M., Barrero A., Boucard A., Loscertales I. G., Márquez M., An Experimental Study of the Electrospraying of Water in Air at Atmospheric Pressure, Journal of the American Society for Mass Spectrometry, Vol. 15, No. 2, pp. 253–259, 2004.
[14]  Gañán-Calvo A. M.,  Muñoz N. R., Montanero J. M., The Minimum or Natural Rate of Flow and Droplet Size Ejected by Taylor Cone-Jets: Physical Symmetries and Scaling Laws, New Journal of Physics, Vol. 15, No. 3, pp. 33-35, 2013.
[15]  Kelbaliyev G., Ceylan K., Development of New Empirical Equations for Estimation of Drag Coefficient, Shape Deformation, and Rising Velocity of Gas Bubbles or Liquid Drops, Chemical Engineering Communications, Vol.  194, No. 10-12, pp. 1623-1637, 2007.
[16]  Sirignano W.A., FLUID DYNAMICS AND TRANSPORT OF DROPLETS AND SPRAYS, Cambridge University Press, 2010.
[17]  Soo S. L., Multiphase Fluid Dynamics, Ashgate Publishing Company, 1990.
[18]  Moyle A. M., Smidansky P. M., Lamb D., Laboratory studies of water droplet evaporation kinetics, 12th Conference on Cloud Physics , Madison,  pp. 10–14, 2006.
[19]  Rahmanpour M., Ebrahimi R., Numerical simulation of electrohydrodynamic spray with stable Taylor cone–jet, Heat Mass Transfer, Vol. 51, No. 10, 2015.
[20]  Najjaran A.K., Ebrahimi R., Rahmanpour M., Numerical Modeling of High Electrohydrodynamic Atomization to be Used in Ion Propulsion, MSc Thesis, K.N. Toosi University of Technology, Aerospace Eng. Department, 2011. (in Persian)
[21]  Bafekr S. H., Shams M., Shadaram A., Numerical Modeling of High Pressure spray with Euler-Lagrange Method, MSc Thesis, K.N. Toosi University of Technology, Mechanical Eng. Department, 2011. (in Persian)
[22]  Madsen J., Computational and Experimental Study of Sprays From The Breakup of Water Sheets, PhD. thesis, Faculty of Engineering and Science, Aalborg University, Denmark, 2006.
[23]   Senecal P., Schmidt D.,  Nouar I.,  Corradini M.L., Modeling High-Speed Viscous Liquid Sheet Atomization, International Journal of Multiphase Flow, Vol. 25, No. 6, pp. 1073-1097, 1999.
[24]  Dombrowski N., Johns W. R., The aerodynamic instability and disintegration of viscous liquid sheets, Chemical Engineering Science, Vol. 18, No. 3, pp.  203-214, 1963.
[25]  Shrimpton J. S., Modeling Dielectric Charged Drop Break Up using an Energy Conservation Method, IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation, Vol. 15, No. 5, pp. 1471-1477, 2008.
[26]  Hartman R., Electrohydrodynamic Atomization in the Cone-Jet Mode. From Physical Modeling to Powder Production, Ph.D. Thesis, TU Delft, 1999.
[27]  Ashkriz N., Handbook of Atomization and Sprays: Theory and Applications, Springer, 2011.
[28]  Lastow O., Balachandran W., Numerical simulation of electrohydrodynamic (EHD) atomization, Journal of Electrostatics, Vol. 64, pp. 850–859, 2006.