SUPERVISOR
Seyed saeed Mortazavi,Ahmad Reza Pishevar
سیدسعید مرتضوی راوری (استاد راهنما) احمدرضا پیشه وراصفهانی (استاد مشاور)
STUDENT
Mostafa Akbari
مصطفی اکبری
FACULTY - DEPARTMENT
دانشکده مهندسی مکانیک
DEGREE
Master of Science (MSc)
YEAR
1392
TITLE
Three Dimensional Numerical Simulation of Emulsion of Drops in a Channel Influenced by Electric Field
Numerical studies of Electrohydrodynamics (EHD), specially for multiphase flows have been grown in recent years. This phenomenon that has numerous applications in different fields, deals with coupling of hydrodynamics and electrostatics. In this thesis, numerical study of emulsion of drops in a channel under simultaneous effects of electric forces and Poiseuille flow is investigated. The electric field is created by imposing an electric potential difference across the channel walls and the leaky dielectric model developed by Taylor is used to compute the electric force. This force is directly added to the Navier-Stokes equations as a body force. This force can deform the drop in the direction of the electric field (prolate) or perpendicular to the direction of the electric field (oblate) depending on the electric properties of drop fluid and ambient fluid. Also it creates the so called induced electrohydrodynamic flows inside and outside of the drop. First, the numerical method (front-tracking/finite volume) was validated by comparing drop deformation and induced flows with experimental and theoretical results in literature. There is a maximum five percent error between numerical and experimental results for drop deformation that validates numerical method. Then the interaction of drop-to-wall and drop-to-drop is investigated studying the effect of dimensionless numbers. Oblate drops and prolate drops (type I), are always attracted to the walls but prolate drops (type II), are attracted or repelled depending on the initial distance from the walls and their electric properties. Drop-to-drop interaction depends on the initial configuration of drops in the domain. Drop pairs that have an angle with respect to the direction of the electric field, are always attracted towards each other. If they have an initial separation distance in the direction of the electric field, they attracted to the walls or to each other depending on their separation distance. Prolate drops (type II) have a different configuration in their final state. they may stick together or have a small separation distance, depending on their electric properties. Decreasing the Ohnesorge number, decreases the time required for drop pairs to reach steady state configuration. Increasing the electric capillary number, changes the vertical and horizontal separation distance of drop pairs in steady state configuration, and decreases the time required to reach steady state configuration. The behavior of emulsion of drops is studied by considering oblate drops, prolate drops (type I) and prolate drops (type II). All drops form fiber chains in the direction of the electric field that will break in stronger Poiseuille flow. Oblate drops settle on the walls but prolate drops form chains of fibers that sometimes extend between the walls. Presence of drops will reduce the flow rate of the channel but the flow rate is smaller for prolate drops because oblate drops are settled on the walls. Keywords: Electrohydrodynamics, Oblate / prolate drops, Electric capillary number, Electric conductivity / permittivity, Induced electrohydrodynamic flows, Dielectrophoretic effects
مطالعات عددی صورت گرفته درمورد الکتروهیدرودینامیک در سالهای اخیر خصوصا برای جریانهای چندفازی، رشد چشمگیری پیدا کرده است. این پدیده که کاربردهای گوناگونی در رشتههای مختلف دارد با کوپل کردن هیدرودینامیک و الکترواستاتیک سروکار دارد. در این تحقیق، مطالعهی عددی رفتار امولسیون قطرات در یک کانال، تحت تاثیر همزمان نیروهای الکتریکی و جریان پواسل، مورد مطالعه قرار گرفته است. میدان الکتریکی با اعمال یک اختلاف پتانسیل الکتریکی به دیوارهای کانال مدل شده و سپس نیروی الکتریکی ناشی از آن با استفاده از مدل نشت عایق تیلور، محاسبه شده است. این نیرو که مانند نیروهای کشش سطحی، یک نیروی حجمی است؛ به صورت مستقیم به معادلات ناویر-استوکس اضافه شده است. این نیرو که میتواند بسته به خصوصیات الکتریکی قطره و سیال پیرامون آن، تغییر شکل قطره را در جهت میدان الکتریکی (پرولیت) و یا عمود بر آن (آبلیت) سبب شود؛ جریانهایی موسوم به جریانهای القایی الکتروهیدرودینامیکی در داخل و خارج قطره ایجاد میکند. ابتدا با شبیهسازی یک قطرهی معلق تنها در میدان الکتریکی، صحت کارکرد روش عددی حاضر (روش پیشروی جبهه/ حجم محدود) که برای اولین بار بهصورت کاملا سهبعدی با اثرات الکترواستاتیک اعمال شده، هم از نظر اندازهی کمی تغییر شکل و هم از نظر نوع جریانهای القایی، با نتایج تئوری و تجربی اعتبارسنجی شده است. بیشینه خطای پنج درصد برای اندازهی کمی تغییر شکل در مقایسه با نتایج تجربی وجود دارد که نشان دهندهی صحت کارکرد روش عددی مورد استفاده است. سپس عکس العمل قطرات با دیوارهای کانال و نیز با یکدیگر بررسی و اثر اعداد بدون بعد، مطالعه شده است. قطرات آبلیت و پرولیت نوع اول همیشه به دیوار جذب شده ولی قطرات پرولیت نوع دوم بسته به خصوصیات الکتریکی و فاصلهی اولیه از دیوار، جذب و یا دفع میشوند. عکس العمل قطرات با یکدیگر، به موقعیت هندسی اولیهی قطرات نسبت به یکدیگر و نیز نسبت به دیوارهای کانال، بستگی دارد. اگر قطرات نسبت به راستای میدان الکتریکی دارای زاویه باشند؛ همیشه به سمت یکدیگر حرکت کرده و جذب میشوند. اما اگر در راستای میدان الکتریکی از یکدیگر فاصله داشته باشند؛ جذب و یا دفع شدن آنها، به فاصلهی آنها از یکدیگر و نیز از دیوارها بستگی دارد. ضمن اینکه، قطرات پرولیت نوع دوم از نظر تماس به یکدیگر در حالت نهایی، رفتاری دوگانه دارند؛ یعنی بسته به خصوصیات الکتریکی آنها، به هم میچسبند و یا در فاصلهای مشخص نسبت به یکدیگر قرار میگیرند. کاهش عدد اونسرج، زمان رسیدن به حالت نهایی را کاهش میدهد. اما افزایش عدد مویینگی الکتریکی، علاوه بر کاهش زمان، در فاصلهی عمودی و افقی قطرات در حالت نهایی، تاثیر میگذارد. رفتار امولسیون قطرات نیز با در نظر گرفتن قطرات آبلیت، پرولیت نوع اول و پرولیت نوع دوم مطالعه شده است. همهی قطرات در راستای میدان الکتریکی رشته تشکیل داده و در جریانهای پواسل قویتر، معلق میشوند. با اقزایش عدد مویینگی الکتریکی، قطرات آبلیت بر روی دیوارهای کانال تهنشین شده ولی قطرات پرولیت نوع اول و دوم رشتههایی تشکیل میدهند که بعضا بین دیوارها امتداد مییابد. هرچند حضور قطرات سبب کاهش دبی جریان عبوری از کانال میشود؛ اما این کاهش برای قطرات پرولیت شدیدتر است؛ چون قطرات آبلیت بر روی دیوارها تهنشین میشوند. کلمات کلیدی: الکتروهیدرودینامیک، قطرات آبلیت / پرولیت، عدد مویینگی الکتریکی، هدایتپذیری / نفوذپذیری الکتریکی، جریانهای القایی الکترهیدرودینامیکی، اثرات دیالکتروفورتیک