توصيفگر ها :
الكتروهيدروديناميك , قطره , چرخش كويينك , روش پيشروي جبهه
چكيده فارسي :
پژوهش‌هاي عددي در زمينه الكتروهيدروديناميك در سال‌هاي اخير، به ويژه براي جريان‌هاي چندفازي، پيشرفت چشمگيري داشته است. اين پديده، كه كاربردهاي متعددي در حوزه‌هاي مختلف دارد، با ادغام هيدروديناميك و الكترواستاتيك مورد توجه قرار مي‌گيرد. اين مطالعه به شبيه‌سازي يك قطره تحت يك ميدان الكتريكي، با تمركز بر اعداد رينولدز الكتريكي محدود مي‌پردازد. با استفاده از شبيه‌سازي‌هاي سه‌بعدي، اين تحقيق از روش اختلاف محدود / تعقيب جبهه براي مدل‌سازي سيستم دوفازي استفاده مي‌كند. اين بررسي دو عدد رينولدز را شناسايي مي‌كند كه براي توزيع قطرات و ديناميك جريان در كانال مهم هستند. عدد رينولدز اول (Re_1) بر اساس چگالي سيال و سرعت مشخصه‌اي كه توسط شدت ميدان الكتريكي تعديل مي‌شود، فرمول‌بندي مي‌شود. در همين حال، عدد رينولدز دوم (Re_2) با هدايت و نفوذپذيري ماتريس سيال تعريف مي‌شود. ايجاد يك ميدان الكتريكي مستلزم تحميل يك اختلاف‌پتانسيل است كه در آن نيروي الكتريكي حاصل محاسبه‌شده و در معادلات ناوير-استوكس ادغام مي‌شود. اين نيرو، مشروط به خواص الكتريكي هر دو قطره و سيال محيط، تغييرات مورفولوژيكي را ايجاد مي‌كند كه به آن شكل آبليت (عمود بر ميدان الكتريكي) يا شكل پروليت(در راستاي ميدان الكتريكي) مي‌گويند. اثربخشي اين رويكرد از طريق مقايسه و اعتبارسنجي در برابر داده‌هاي موجود ارزيابي مي‌شود. پس از آن، پاسخ قطره به ميدان الكتريكي، به‌ويژه در مورد ماهيت تغيير شكل آن موردبررسي قرار مي‌گيرد. در مورد قطرات دي‌الكتريك، افزايش ميدان الكتريكي فراتر از يك مقدار بحراني مي‌تواند باعث شود كه قطره به‌طور خودبه‌خود شروع به چرخش كند و يك‌شكل كج ثابت به خود بگيرد. اين پديده تقارن شكن، به نام چرخش كويينك، به دليل عمل گشتاور الكتريكي سطحي كه با گشتاور چسبندگي در قطره مقابله مي‌كند، ايجاد مي‌شود و باعث چرخش ثابت در ميدان‌هاي به‌اندازه كافي قوي مي‌شود. يافته‌هاي شبيه‌سازي‌هاي ما به‌خوبي با داده‌هاي تجربي و تئوري‌هاي مربوط به تغيير شكل‌هاي كوچك مطابقت دارد و سپس رفتار قطره در ميدان الكتريكي ازنظر نوع تغيير شكل بررسي‌شده است.
چكيده انگليسي :
Numerical studies in the field of electrohydrodynamics have seen significant advancements in recent years, especially for multiphase flows. This phenomenon, which has various applications in different domains, is being highlighted through the integration of hydrodynamics and electrostatics.This study delves into the simulation of a droplet subject to an electric field, focusing on finite electric Reynolds numbers. Employing three-dimensional simulations, the investigation utilizes the finite difference/front-tracking method to model the two-phase system. The examination identifies two Reynolds numbers pivotal to the droplet distribution and flow dynamics within the channel. The initial Reynolds number (Re₁) is formulated based on fluid density and a characteristic velocity, modulated by the intensity of the electric field. Meanwhile, the secondary Reynolds number (Re₂) is defined by the conductivity and permeability of the fluid matrix. The establishment of an electric field involves the imposition of a potential difference, whereupon the resultant electric force is computed and integrated into the Navier-Stokes equations. This force, contingent upon the electric properties of both the droplet and the ambient fluid, induces morphological alterations termed oblate shape (perpendicular to the electric field) or prolate shape (aligned with the electric field). The efficacy of this approach is assessed through comparison and validation against available data. Subsequently, the droplet's response to the electric field is scrutinized, particularly concerning the nature of its deformation. In the case of dielectric drops, increasing the electric field beyond a critical value can cause the drop to start rotating spontaneously and assume a steady tilted shape. This symmetry-breaking phenomenon, called Quincke rotation, arises due to the action of the interfacial electric torque countering the viscous torque on the drop, giving rise to steady rotation in sufficiently strong fields. The findings from our simulations align remarkably well with both established experimental data and theories concerning small deformations.
