پديد آورنده :
پناهي، اميررضا
عنوان :
بررسي عددي و تجربي توليد قطرات ويسكوالاستيك در روش الكترواسپري
مقطع تحصيلي :
كارشناسي ارشد
گرايش تحصيلي :
تبديل انرژي
محل تحصيل :
اصفهان : دانشگاه صنعتي اصفهان
صفحه شمار :
سيزده، 104ص.: مصور (رنگي)، جدول، نمودار
استاد راهنما :
احمدرضا پيشه ور، محمدرضا توكلي
توصيفگر ها :
الكترواسپري , الكتروهيدروديناميك , سيال ويسكوالاستيك , سيال چند فازي , سيال با رسانايي ناچيز , مدل سازي عددي , رئولوژي
استاد داور :
مهدي نيلي احمدآبادي، محمدرضا سليم پور
تاريخ ورود اطلاعات :
1398/04/16
رشته تحصيلي :
مهندسي مكانيك
تاريخ ويرايش اطلاعات :
1398/04/18
چكيده فارسي :
چکیده الکترواسپری روشی نوین جهت تولید قطرات با اندازه یکنواخت میباشد که در دهههای اخیر به شدت مورد توجه واقع شدهاست این پدیده با اعمال میدان الکتریکی به سیال در حال خروج از یک نازل مشاهده میشود پس از اعمال ولتاژ مدهای الکتروهیدرودینامیکی مختلفی مشاهده میشوند که هر کدام کاربردهای خاصی دارند این پدیده در سیال آب دییونیزه به وفور بررسی شده و اکنون با استفاده از سیاالتی با خواص فیزیکی متفاوت با آب مثل سیاالت غیرنیوتنی سعی در بهبود و پایداری بیشتر مدهای الکتروهیدرودینامیکی میشود در این پژوهش تأثیر رفتار ویسکواالستیک که به طور کلی در محلولهای پلیمری و مذاب پلیمرها مشاهده میشود روی مدهای الکتروهیدرودینامکی بررسی میشود در تحقیق فعلی ابتدا کارهای پیشین انجامشده مرور میگردد سپس معادالت حاکم بر پدیده مثل معادالت الزم برای مدلسازی رفتار ویسکواالستیک حل سیاالت چند فازی بررسی تأثیر میدان الکتریکی بر سیال و معادالت الزم برای مدلسازی رفتار جریان مورد بررسی قرار گرفتهاند این پدیده به دو روش آزمایشگاهی و عددی مورد بررسی واقع شدهاست در بخش آزمایشگاهی ابتدا محلول رقیق پلیاکریالمید در سه غلظت متفاوت تهیه شده و خواص فیزیکی این محلولها اندازهگیری شدهاند تستهای آزمایشگاهی به کمک تجهیزاتی مثل پمپ سرنگی و منبع ولتاژ باال انجام شدهاند در ادامه پدیده با دوربین با سرعت عکسبرداری باال در آزمایشگاه تصویربرداری میشود و عکسهای بهدستآمده در نرمافزار متلب پردازش تصویر شدهاند سپس تأثیر پارامترهای مختلف مثل دبی ولتاژ و غلظت سیال ویسکواالستیک بر مدهای الکتروهیدرودینامیکی پروفیل جت قطر قطرات و توزیع آنها بررسی میشود مشاهده شد با افزایش غلظت یا دبی سیال ویسکواالستیک بازه مد قطرهای و دانهای کاهش و بازه جت پایدار افزایش یافت همچنین در سیال ویسکواالستیک برخالف آب دییونیزه با افزایش ولتاژ پس از مد جت مخروطیشکل مد مولتی جت مشاهده نمیگردد بلکه مد جدیدی که جت چسبنده نامگذاری گردیده مشاهده میشود که در آن قطر جت باریکتر از جت معمولی است و جت به نازل نزدیکتر میشود سپس مشاهده گردید مکانیک جدایش قطرات ویسکواالستیک از نازل با قطرات آب دییونیزه کامال متفاوت است و در انتهای قطره ویسکواالستیک یک رشته سیال باریک که در جهت حرکت قطره کشیده شده و نازک میشود مشاهده شد با افزایش شدت میدان قطر قطرات کاهش و فرکانس خروج آنها افزایش مییابد از طرف دیگر با افزایش ولتاژ پراکندگی توزیع قطر قطرات بیشتر میشود در ادامه پروفیلهای جت بهدستآمده از پردازش تصویر با توابع توانی برازش شدند مشاهده شد افزایش غلظت سیال و ولتاژ باعث نزدیک شدن جت به نازل میشود و قطر نهایی جت کاهش مییابد از سوی دیگر افزایش دبی باعث ضخیمتر شدن قطر نهایی جت میشود در ادامه پدیده به کمک نرمافزار مولتیفیزیک کامسول و با استفاده از معادالت معرفیشده شبیهسازی میشود مدلسازی انجامشده شامل جریان ویسکواالستیک عبوری از روی کره قطره ویسکواالستیک جت آب دییونیزه و جت ویسکواالستیک میباشد که نتایج حاصل از مدلسازی با نتایج تجربی مقایسه میشوند در بخش جریان عبوری از روی کره معادالت ویسکواالستیک و نحوه جایگذاری آنها در نرمافزار اعتبارسنجی میشوند همچنین در این بخش بازه پایداری حل نسبت به مراجع معرفیشده افزایش یافته است در بخش مدلسازی قطره ویسکواالستیک خطوط جریان برگشتی داخل قطره پرش فشار در سطح مشترک آن و رشته سیال باریک انتهای قطره با موفقیت مدلسازی شدهاند همچنین قطر و فرکانس قطرات بهدستآمده از حل عددی با نتایج تجربی مقایسه شدهاند که در این بخش تطابق خوبی بین نتایج مشاهده میگردد در ادامه بخش عددی جت دو سیال آب دییونیزه و محلول ویسکواالستیک مدلسازی شدهاند در این قسمت خطوط جریان داخل جت کانتورهای فشار و کانتورهای بار در جت نشان داده شده و روی آنها بحث شدهاست در جت ویسکواالستیک تنشهای غیرنیوتنی نیز در طول بدنه جت نشان داده شدهاند در ادامه پروفیل جت بهدستآمده از حل عددی با دادههای تجربی مقایسه شده و بیان میشود که تأثیر خواص غیرنیوتنی بر جت در مدلسازی با تأثیر مشاهدهشده در بخش آزمایشگاهی یکسان است در انتها نتایج بهدستآمده جمعبندی خواهد شد و پیشنهاداتی جهت اقدامات آینده داده میشود کلمات کلیدی الکترواسپری الکتروهیدرودینامیک سیال ویسکواالستیک سیال چند فازی سیال با رسانایی ناچیز مدلسازی عددی رئولوژی
چكيده انگليسي :
Numerical and Experimental Investigation of Viscoelastic Droplet Generation by Electrospray Amirreza Panahi Amirrezap94@yahoo com Date of Submission 7 2 2019 Department of Mechanical Engineering Isfahan University of Technology Isfahan 84156 83111 Iran Degree M Sc Language FarsiSupervisors Ahmadreza Pishevar apishe@cc iut ac ir Mohammadreza Tavakoli mrtavak@cc iut ac irAbstract Having attracted much attention over the past decades electrospray is a method for producing continuous stream ofmonodisperse droplets in ambient air By exerting a potential difference between a nozzle ejecting a continuous stream ofdroplets and a substrate positioned directly below the nozzle various EHD modes can be observed Deionized DI waterEHD modes were classified in several researches thus the main focus of current study is on electrospray of non Newtonianfluids Viscoelastic fluid depicting both viscous and elastic behaviour is chosen as the non Newtonian fluid in this researchin order to investigate the role of viscoelasticity on EHD modes First related researches are reviewed and governingequations including log conformation reformulation two phase flow equations leaky dielectric model and Navier Stokesequations are examined Viscoelastic solutions used in electrospray tests comprised of three different concentrations ofaqueous PAA solutions whose physical properties were thoroughly measured Experimental tests were conducted utilizinga syringe pump and a high voltage source subsequently various EHD modes were photographed by a high speed cameraand obtained images were processed by MATLAB software to investigate the effect of flowrate applied voltage andsolution concentration on EHD modes jet profile droplet diameter and its corresponding distribution By classifyingvarious 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 toouter 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 frequencyescalates while droplet diameter distribution becomes wider Also obtained by MATLAB image processing codes curvefitted jet profiles reveal that by increasing viscoelasticity or exerted voltage jet approaches annular region of nozzle andit 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 ofviscoelastic equations and their implimentation in software simulation of viscoelastic flow past a sphere benchmark wasalso stabilized beyond previously suggested treshold Next circulatory flow inside droplet pressure jump on dropletinterface and viscoelastic filament thinning were all successfully modeled in viscoelastic droplet simulation and obtainedresults were compared with experimental data where good agreement was seen between two data sets Also simulatednumerically 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 jetsimulations Afterwards retrieved jet profiles from numerical simulations and experimental tests are plotted in a singlediagram where little discrepancy was seen between two data sets and the overall effect of viscoelasticity on jet profile
استاد راهنما :
احمدرضا پيشه ور، محمدرضا توكلي
استاد داور :
مهدي نيلي احمدآبادي، محمدرضا سليم پور
