Skip to main content
SUPERVISOR
Mohamad Reza Tavakoli nejad,Ahmad Reza Pishevar
محمدرضا توکلی نژاد (استاد راهنما) احمدرضا پیشه وراصفهانی (استاد راهنما)
 
STUDENT
Amirreza Panahi
امیررضا پناهی

FACULTY - DEPARTMENT

دانشکده مهندسی مکانیک
DEGREE
Master of Science (MSc)
YEAR
1395

TITLE

Numerical and Experimental Investigation of Viscoelastic Droplet Generation by Electrospray
Having attracted much attention over the past decades, electrospray is a method for producing continuous stream of monodisperse droplets in ambient air. By exerting a potential difference between a nozzle ejecting a continuous stream of droplets and a substrate positioned directly below the nozzle, various EHD modes can be observed. Deionized (DI) water EHD modes were classified in several researches, thus, the main focus of current study is on electrospray of non-Newtonian fluids. Viscoelastic fluid depicting both viscous and elastic behaviour is chosen as the non-Newtonian fluid in this research in order to investigate the role of viscoelasticity on EHD modes. First, related researches are reviewed and governing equations including log-conformation reformulation, two-phase flow equations, leaky dielectric model and Navier-Stokes equations are examined. Viscoelastic solutions used in electrospray tests comprised of three different concentrations of aqueous PAA solutions whose physical properties were thoroughly measured. Experimental tests were conducted utilizing a syringe pump and a high-voltage source, subsequently, various EHD modes were photographed by a high-speed camera and obtained images were processed by MATLAB software to investigate the effect of flowrate, applied voltage and solution concentration on EHD modes, jet profile, droplet diameter and its corresponding distribution. By classifying various EHD modes into dimensionless diagrams, it can be concluded that if solution concentration or flowrate increases, dimensionless regions where dripping and bead mode are observed plummet while stable jet region grows. Furthermore, contrary to DI water, when applied voltage surges, instead of multi-jet mode stick-jet mode is observed where jet sticks to outer surface of nozzle and jet’s asymptotic thickness diminishes. Distinguishable from dripping mode in DI water, dripping mode in viscoelastic solutions is identifiable by the presence of constantly thinning viscoelastic filament. Additionally, it can be asserted that by rising electric field strength, droplet diameter reduces and droplet frequency escalates while droplet diameter distribution becomes wider. Also obtained by MATLAB image processing codes, curve fitted jet profiles reveal that by increasing viscoelasticity or exerted voltage, jet approaches annular region of nozzle and it becomes thinner in jet’s asymptotic region, nevertheless, rising flowrate thickens jet’s asymptotic radius. Thereafter, several numerical simulations were conducted with COMSOL multiphysics software where viscoelastic flow past a sphere, viscoelastic droplet, DI water jet and viscoelastic jet were modeled and solved. Used for verifying the authenticity of viscoelastic equations and their implimentation in software, simulation of viscoelastic flow past a sphere benchmark was also stabilized beyond previously suggested treshold. Next, circulatory flow inside droplet, pressure jump on droplet interface and viscoelastic filament thinning were all successfully modeled in viscoelastic droplet simulation and obtained results were compared with experimental data where good agreement was seen between two data sets. Also simulated numerically, circulatory flow inside cone, pressure contours, space charge density contours and surface plot of log-conformation terms are presented and discussed in subsection allocated to DI water and viscoelastic solution jet simulations. Afterwards, retrieved jet profiles from numerical simulations and experimental tests are plotted in a single diagram where little discrepancy was seen between two data sets and the overall effect of viscoelasticity on jet profile was similar between numerical and experimental results. Finally, yielded results are discussed and suggestions for future work are made. Keywords Electrospray, Electrohydrodynamic, Viscoelastic Fluid, Multiphase Flow, Leaky Dielectric Model, Numerical Simulation, Rheology
الکترواسپری روشی نوین جهت تولید قطرات با اندازه یکنواخت می باشد که در دهه های اخیر به شدت مورد توجه واقع شده است. این پدیده با اعمال میدان الکتریکی به سیال در حال خروج از یک نازل مشاهده می شود. پس از اعمال ولتاژ مدهای الکتروهیدرودینامیکی مختلفی مشاهده می شوند که هر کدام کاربردهای خاصی دارند. این پدیده در سیال آب دی یونیزه به وفور بررسی شده و اکنون با استفاده از سیالاتی با خواص فیزیکی متفاوت با آب مثل سیالات غیر نیوتنی سعی در بهبود و پایداری بیشتر مدهای الکتروهیدرودینامیکی می شود. در این پژوهش تأثیر رفتار ویسکوالاستیک که به طور کلی در محلول های پلیمری و مذاب پلیمرها مشاهده می شود، روی مدهای الکتروهیدرودینامکی بررسی می شود. در تحقیق فعلی ابتدا کارهای پیشین انجام شده مرور می گردد، سپس معادلات حاکم بر پدیده مثل معادلات لازم برای مدل سازی رفتار ویسکوالاستیک، حل سیالات چند فازی، بررسی تأثیر میدان الکتریکی بر سیال و معادلات لازم برای مدل سازی رفتار جریان مورد بررسی قرار گرفته اند. این پدیده به دو روش آزمایشگاهی و عددی مورد بررسی واقع شده است. در بخش آزمایشگاهی ابتدا محلول رقیق پلی اکریلامید در سه غلظت متفاوت تهیه شده و خواص فیزیکی این محلول ها اندازه گیری شده اند. تست های آزمایشگاهی به کمک تجهیزاتی مثل پمپ سرنگی و منبع ولتاژ بالا انجام شده اند. در ادامه پدیده با دوربین با سرعت عکس برداری بالا در آزمایشگاه تصویر برداری می شود و عکس های به دست آمده در نرم افزار متلب پردازش تصویر شده اند. سپس تأثیر پارامترهای مختلف مثل دبی، ولتاژ و غلظت سیال ویسکوالاستیک بر مدهای الکتروهیدرودینامیکی، پروفیل جت، قطر قطرات و توزیع آن ها بررسی می شود. مشاهده شد با افزایش غلظت یا دبی سیال ویسکوالاستیک بازه مد قطره ای و دانه ای کاهش و بازه جت پایدار افزایش یافت. هم چنین در سیال ویسکوالاستیک بر hy;خلاف آب دی یونیزه با افزایش ولتاژ پس از مد جت مخروطی شکل، مد مولتی جت مشاهده نمی گردد، بلکه مد جدیدی که جت چسبنده نام گذاری گردیده مشاهده می شود که در آن قطر جت باریک تر از جت معمولی است و جت به نازل نزدیک تر می شود. سپس مشاهده گردید مکانیک جدایش قطرات ویسکوالاستیک از نازل با قطرات آب دی یونیزه کاملاً متفاوت است و در انتهای قطره ویسکوالاستیک یک رشته سیال باریک که در جهت حرکت قطره کشیده شده و نازک می شود، مشاهده شد. با افزایش شدت میدان، قطر قطرات کاهش و فرکانس خروج آن ها افزایش می یابد. از طرف دیگر با افزایش ولتاژ پراکندگی توزیع قطر قطرات بیشتر می شود. در ادامه پروفیل های جت به دست آمده از پردازش تصویر با توابع توانی برازش شدند. مشاهده شد افزایش غلظت سیال و ولتاژ باعث نزدیک شدن جت به نازل می شود و قطر نهایی جت کاهش می یابد. از سوی دیگر افزایش دبی باعث ضخیم تر شدن قطر نهایی جت می شود. در ادامه پدیده به کمک نرم افزار مولتی فیزیک کامسول و با استفاده از معادلات معرفی شده شبیه سازی می شود. مدل سازی انجام شده شامل جریان ویسکوالاستیک عبوری از روی کره، قطره ویسکوالاستیک، جت آب دی یونیزه و جت ویسکوالاستیک می باشد که نتایج حاصل از مدل سازی با نتایج تجربی مقایسه می شوند. در بخش جریان عبوری از روی کره معادلات ویسکوالاستیک و نحوه جایگذاری آن ها در نرم افزار اعتبارسنجی می شوند. هم چنین در این بخش بازه پایداری حل نسبت به مراجع معرفی شده افزایش یافته است. در بخش مدل سازی قطره ویسکوالاستیک خطوط جریان برگشتی داخل قطره، پرش فشار در سطح مشترک آن و رشته سیال باریک انتهای قطره با موفقیت مدل سازی شده اند. هم چنین قطر و فرکانس قطرات به دست آمده از حل عددی با نتایج تجربی مقایسه شده اند که در این بخش تطابق خوبی بین نتایج مشاهده می گردد. در ادامه بخش عددی جت دو سیال آب دی یونیزه و محلول ویسکوالاستیک مدل سازی شده اند. در این قسمت خطوط جریان داخل جت، کانتورهای فشار و کانتورهای بار در جت نشان داده شده و روی آن ها بحث شده است. در جت ویسکوالاستیک تنش های غیر نیوتنی نیز در طول بدنه جت نشان داده شده اند. در ادامه پروفیل جت به دست آمده از حل عددی با داده های تجربی مقایسه شده و بیان می شود که تأثیر خواص غیرنیوتنی بر جت در مدل سازی با تأثیر مشاهده شده در بخش آزمایشگاهی یکسان است. در انتها نتایج به دست آمده جمع بندی خواهد شد و پیشنهاداتی جهت اقدامات آینده داده می شود. کلمات کلیدی: الکترواسپری - الکتروهیدرودینامیک - سیال ویسکوالاستیک - سیال چند فازی - سیال با رسانایی ناچیز - مدل سازی عددی - رئولوژی

ارتقاء امنیت وب با وف بومی