Skip to main content
SUPERVISOR
Ahmad Reza Pishevar,Seyed saeed Mortazavi
احمدرضا پیشه وراصفهانی (استاد راهنما) سیدسعید مرتضوی راوری (استاد مشاور)
 
STUDENT
Ali Reza Hashemi
علیرضا هاشمی

FACULTY - DEPARTMENT

دانشکده مهندسی مکانیک
DEGREE
Master of Science (MSc)
YEAR
1392

TITLE

Numerical Investigation of Electrohydrodynamic Liquid Jet under Uniform Electric Field by Boundary Element Method
Electrospinning is a process in which solid fibers are produced from a polymeric fluid stream delivered through a millimeter-scale nozzle. The aim of this research is to study the effects of prominent parameters in terms of non-dimensional numbers on the process with and without centrifugal force. For this purpose, a numerical model is developed to solve governing equations and the obtained results are validated with the existing numerical and experimental results. In this model, the hydrodynamics equations are simplified by a perturbation method and the boundary integral method is used to solve the Electrostatic equations. Then by forcing the boundary conditions at the interfaces for the stresses, the two set of equations are coupled. The governing EHD equations are discretized via a second order central finite difference method and the resulting system of equation is solved by using a Newton like iterative method. In this study also, the electrical behavior of system is considered as the leaky dielectric and dielectric fluid models for the liquid jet and surrounding fluid, respectively. For the leaky dielectric model, low conductivity of the fluid causes the formation a thin layer near the interface of the electric charges. Here, we assume that the charge redistribution occurs instantly and a static model for charges is acceptable. Also, the presence of nozzle in between of two electrodes makes a non-uniform electric field in the vicinity of the nozzle and, consequently, increases the magnitude of the electric field. In some previous simulations, the nozzle geometry and its effect on the external electric field were included in the simulations. However, in this study, the nozzle effect is automatically included by applying proper boundary condition at the nozzle (R(0) = 1) in the BEM formulation. Moreover, an analytical method is used to remove the singularity at the axisymmetric boundary. Finally, the method is validated against several benchmark problems. Then the method is used to predict the reduction in the jet radius along the axis of the jet (jet elongation) and the jet center line deviation in the horizontal plane ( - ) when the dimensionless numbers such as Weber, Reynolds, Farad, Roy, Beta and aspect ratio are changed. Results shows that in electrospinning, the Weber and Beta dimensionless numbers are very effective in the jet radius reduction and comparing the present results with the other numerical and experimental results confirms that the static model for electric charges is accurate only at low volume flow rate and high applied electric field. In electro-centrifuge spinning, the jet elongation is severely affected by Roy and aspect ratio. By increasing Reynolds, Roy, Beta and aspect ratio, and reducing Weber dimensionless numbers, the deviation of jet center line from a straight line is increased. Also, at high rotational speeds the process is only controlled by the centrifugal force and other electric parameters, represented by Beta in the momentum equation, have little influence on the results. Keywords: Liquid jet, Electric, Leaky dielectric, Perturbation, Boundary integral, Centrifuge
ریسندگی الکتریکی فرآیندی است که در آن الیاف جامد از جریان پلیمری جت مایع از طریق یک نازل در مقیاس میلی‌متر ایجاد می‌شود. در این مطالعه، ریسندگی الکتریکی با و بدون نیروی گریز از مرکز و تأثیر برخی از پارامترهای مؤثر بر این فرآیندها مورد بررسی قرار گرفته است. برای این منظور، براساس معادله‌های حاکم، یک مدل عددی بکار گرفته شده و نتیجه‌های حاصل از آن با نتیجه‌های عددی و تجربی موجود اعتبار سنجی می‌شود. در این مدل عددی از روش اختلالی به‌منظور استخراج معادله‌های هیدرودینامیک و از روش انتگرال مرزی برای حل معادل? لاپلاس الکتریکی استفاده شده است. سپس از طریق شرط‌های مرزی تنش در سطح مشترک، معادله‌های الکتروهیدرودینامیک بدست می‌آیند که مشتق‌ها به‌روش تفاضل محدود مرکزی مرتبه دوم گسسته می‌شوند و معادله‌های حاکم به‌صورت دستگاه چند معادله و چند مجهول به‌روش نیوتن حل خواهند شد. از آنجا که در ریسندگی با محرک الکتریکی، نیروی الکتریکی نقش به‌سزایی دارد، ویژگی‌های الکتریکی سیال نیز دارای اهمیت است. بنابراین در این پژوهش، مدل سیال با رسانایی ناچیز برای جت مایع و مدل سیال کاملاً نارسانا برای سیال اطراف در نظر گرفته شده است. در مدل سیال با رسانایی ناچیز، رسانایی اندک سیال باعث تشکیل لایه نازکی از بارهای الکتریکی در نزدیکی سطح مشترک شده که در این پژوهش، مدل استاتیکی بارها در نظر گرفته می‌شود و از رفتار دینامیکی این بارها صرف نظر شده است. همچنین حضور نازل در فضای بین دو الکترود، سبب ایجاد یک میدان الکتریکی غیر یکنواخت در مجاورت نازل و در نتیجه، افزایش انداز? میدان الکتریکی خواهد شد که شبیه‌سازی‌های انجام شده تاکنون این هندسه و اثر آن بر میدان الکتریکی خارجی را به‌صورت مجزا در نظر گرفته‌اند. در این پژوهش، نازل شبیه‌سازی نشده و به‌واسط? روش المان مرزی اثر نازل خودبه‌خود به‌دلیل شرط مرزی انتخابی در خروجی نازل (1 = (0)R)، اعمال می‌شود. در این پژوهش، یک روش تحلیلی به‌منظور رفع تکینگی معادل? انتگرال مرزی حاکم بر مسئله‌های تقارن محوری ارائه شده که با طرح یک مسئله صحت رفع تکینگی آن اثبات می‌شود. کمیت‌های تغییر شعاع در امتداد محور جت (کشیدگی جت) و انحراف محور مرکزی جت در صفح? افقی با تغییر عددهای بی‌بعد، نظیر وبر، رینولدز، فاراد، راسبی، بتا و نسبت رعنایی، مورد بررسی قرار گرفته‌اند. در ریسندگی الکتریکی، پارامترهای وبر و بتا در کشیدگی جت بسیار مؤثر بوده و مقایس? نتیجه‌های پژوهش حاضر با نتیجه‌های عددی و تجربی، بیان کنند? قابل قبول بودن فرض استاتیک بارهای الکتریکی در دبی‌های حجمی پایین و انداز? میدان‌های الکتریکی اعمالی بالا است. در ریسندگی گریز از مرکز الکتریکی، عددهای بی‌بعد راسبی و نسبت رعنایی در کشیدگی جت بسیار مؤثر بوده و افزایش عددهای بی‌بعد رینولدز، راسبی، بتا و نسبت رعنایی و کاهش عدد بی‌بعد وبر، سبب افزایش انحراف محور مرکز جت از خط مستقیم می‌شوند. همچنین در سرعت زاویه‌ای‌های بالا ( 1000 ? ) در ریسندگی گریز از مرکز الکتریکی، نیروی گریز از مرکز بر نیروی الکتریکی غالب شده و با تغییر عدد بی‌بعد بتا - معرف نیروی الکتریکی در معادل? ممنتوم-، تغییری در کمیت‌های مورد بررسی مشاهده نمی‌شود. کلمات کلیدی: جت مایع، الکتریکی، رسانایی ناچیز، اختلالی، انتگرال مرزی، گریز از مرکز

ارتقاء امنیت وب با وف بومی