شبیه‌سازی فرآیند صعود حباب تحت میدان الکتریکی با استفاده از روش شبکه بولتزمن

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 دانشجوی دکتری، گروه مهندسی مکانیک، دانشگاه صنعتی شاهرود، شاهرود، ایران

2 استاد، گروه مهندسی مکانیک، دانشگاه صنعتی شاهرود، شاهرود، ایران

3 دانشیار، گروه مهندسی مکانیک، دانشگاه صنعتی شاهرود، شاهرود، ایران

چکیده

در این مقاله، رفتار یک حباب در سیال لزج دی الکتریک تحت اثر میدان الکتریکی یکنواخت در جریان دوفازی با استفاده از روش شبکه بولتزمن به صورت دوبعدی مدل‌سازی شده است. تغییر شکل حباب، بر اثر نیروی شناوری و نیروی الکتریکی ناشی از میدان الکتریکی خارجی اعمال شده، مورد بررسی قرار گرفته است. برای حل مسئله یک کد کامپیوتری توسعه داده شده که شامل بخش های حل میدان جریان و میدان الکتریکی می باشد. برای اعتبارسنجی حل میدان جریان، مدل مورد نظر توسط آزمون های معروف آزمایش لاپلاس و صعود آزاد حباب مورد امتحان قرار گرفته است. به منظور اعتبارسنجی میدان الکتریکی، تغییر شکل قطره استاتیکی در اثر میدان الکتریکی با معادله دوبعدی تیلور مقایسه شده است. مقایسه نتایج تحقیق حاضر با نتایج محققان قبلی توافق خوبی دارد. تاثیر میدان الکتریکی افقی یکنواخت بر روی فرآیند صعود حباب در راستای عمود تحت نیروی گرانش با جزئیات مورد بررسی قرار گرفته است. نتایج نشان می دهد که میدان الکتریکی می­تواند شکل، سرعت و محل حباب را تحت تاثیر قرار داده و کنترل کند. برای تابع تمایز مثبت، سرعت صعود حباب با افزایش عدد کاپیلاری الکتریکی، کاهش می‌یابد در حالیکه برای تابع تمایز منفی عکس این روند مشاهده می شود. افزایش میدان الکتریکی در عدد اتووس بالاتر باعث شکسته شدن حباب برای تابع تمایز مثبت می­شود. همچنین، هرچه تابع تمایز بزرگتر باشد، شکست حباب در اعداد کاپیلاری الکتریکی کوچکتر اتفاق می­افتد.

کلیدواژه‌ها


[1] Grace J.R., Shapes and Velocities of Bubbles Rising in Infinite Liquids, Transactions of the Institution of Chemical Engineering, Vol.51.pp.116–120, 1973.
[2] BhagaD. and Weber, M.E.,Bubbles in Viscous Liquids: Shapes, Wakes and Velocities, Journal of Fluid Mechanics, Vol.105, pp. 61- 85, 1981.
[3] AnnalandM.V.S., DeenN.G. and Kuipers, J.A.M., Numerical Simulation of Gas Bubbles BehaviourUsing a Three-dimensional Volume of Fluid Method, Chemical Engineering Science, Vol. 60, No. 11, pp. 2999-3011, 2005.
[4] Sams G.W. and Warren, K. W., New Methods of Application of Electrostatic Fields, in Prepared for presentation at AICHE spring national meeting, New Orleans,Louisiana, 2004.

[5] Zhang C., Eckert S., and Gerbeth, G., Experimental Study of Single Bubble Motion in a Liquid Metal Column Exposed to a DC Magnetic Field, International Journal of Multiphase Flow, Vol. 31, pp.824-842, 2005.

[6] Arias F.J.,"Critical Heat Flux-CHF in Liquid Metal in Presence of a Magnetic Field with Particular Reference to Fusion Reactor Project", Journal of Fusion Energy, Vol. 29, pp. 146-149, 2010.

[7] Jaworek A., Krupa A. and Czech T., Modern Electrostatic Devices and Methods for Exhaust Gas Cleaning:A Brief Review, Journal of Electrostatics, Vol. 65, pp. 133–155, 2007.

[8] Bararnia H. and Ganji D.D., Breakup and Deformation of a Falling Droplet under High Voltage electric Field, Advanced Powder Technology, Vol.24. pp.992–998, 2013.

[9] Succi S., The Lattice Boltzmann Equation for Fluid Dynamics and Beyond, Oxford, Clarendon Press, 2001.
[10] Chen S. and Doolen G.D., Lattice Boltzmann Method for Fluid Flows, Annu. Rev. Fluid Mech., Vol. 30, pp 329–364, 1998.
[11] Gunstensen A.K., Rothman D.H., Zaleski S., and Zanetti G., Lattice Boltzmann Model of Immiscible Fluids, Phys. Rev. A, Vol. 43, pp 4320-4330,1991.
[12] Shan X. and ChenH., Lattice Boltzmann Model for Simulating Flows with Multiple Phases and Components, Phys. Rev. E, Vol. 47, Pp. 1815-1819, 1993.
[13] HeX., Shan X., and Doolen G.D., A Discrete Boltzmann Equation Model for Non-ideal Gases, Phys. Rev. E, Vol. 57, R13, 1998.
[14] Swift M.R., Osborn W.R., and Yeomans J.M., Lattice Boltzmann Simulation of Nonideal Fluids, Phys. Rev. Lett., Vol.75. No. 5, pp 830-840, 1995.
[15] Takada N., Misawa M., Tomiyama A. and Hosokawa S, Simulation of Bubble Motion under Gravity by Lattice Boltzmann Method, Journal of Nuclear Science and Technology, Vol. 38, pp. 330-341, 2001.

[16] Gupta A. and Kumar R., Lattice Boltzmann Simulation to Study Multiple Bubble Dynamics, International Journal of Heat and Mass Transfer, Vol. 51, pp. 5192-5203, 2008.

[17] Fakhari A., Rahimian M. H., Investigation of deformation and breakup of falling droplet using a multiple relaxation time lattice Boltzmann method, Journal of Computers and Fluids, Vol. 40, pp. 156-171, 2011.
[18] Anwar Sh., Lattice Boltzmann modeling of buoyant rise of single and multiple Bubbles, Journal of Computers and Fluids, Vol. 88, pp. 430–439, 2013.
[19] Zamzamian K, Mohammadpourfard M, Electrowetting on dielectric and superhydrophobic surface: lattice Boltzmann study, Indian Journal of Physics, Vol. 86, Issue 10, Pages 889-899, 2012.
[20] Aminfar H, Mohammadpourfard M, Droplets merging and stabilization by electrowetting: Lattice Boltzmann study, Journal of Adhesion Science and Technology, Volume 26, Issue 12-17, Pages, 1853-1871, 2012.
[21] Mousavi Tilehboni S. E., Fattahi E., Hassanza Afrouzi H., Farhadi M., Numerical simulation of droplet detachment from solid walls under gravity force using lattice Boltzmann method, Journal of Molecular Liquids, Vol. 212, pp. 544–556, 2015.
[22] Fallah Kharmiani Soroush, Passandideh Fard Mohammad, Niazmand Hamid, Modeling of simultaneous impact of two parallel drops on a thin liquid film using Lattice Boltzmann Method, Journal of Modares Mechanical Engineering, Vol. 16, pp. 373-384, 2016.

[23] 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, pp. 150–161, 2005.

[24] Saville D.A., Electrohydrodynamics: the Taylor-Melcher Leaky Dielectric Model, Annual Review of Fluid Mechanics, Vol. 29. pp. 27-64, 1997.

[25] Taylor G., Study in Electrohydrodynamics. I. The Circulation Produced in a Drop by Electric Field,Mathematical, Physical & Engineering Science, Vol. 291. pp. 159-167, 1996.

[26] 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.

[27] Lin Y., Skjetne P. and Carlson A., A Phase Field Model for Multiphase Electro-hydrodynamic Flow, International Journal of Multiphase Flow,Vol. 45, pp. 1–11, 2012.