مطالعه عددي شكل‌گيري پروفيل مايع در خروجي روزنه موئين تحت تاثير پتانسيل الكتريكي

Numerical Study on Formation of Liquid Flow Emerging from a Capillary Emitter due to Electric Potential Effects

الكترواسپري شاخه‌اي از حوزه‌ي علمي الكتروهيدروديناميك محسوب مي‌شود كه بر باردارسازي الكتريكي مايعات استوار است. معادلات حاكم بر فرآيند الكترواسپري تركيبي از معادلات هيدروديناميك و الكترواستاتيك است كه ورود معادلاتِ گسست مايع به آن مجموعه بر پيچيدگي آنها مي‌افزايد. در اين تحقيق با تدوين يك حل‌گر الكترواسپري به شبيه‌سازي فرآيند الكترواسپري در حالت گذرا مبادرت شده است. اين شبيه‌سازي بر روي پيكربندي اِميتر (روزنه موئين) ديسك براي مايع رساناي الكتريكي هپتان در مقادير مختلف پتانسيل الكتريكي صورت گرفته است. در اين راستا، علاوه بر ارزيابيِ تواناييِ حل‌گر ايجاد شده در شبيه‌سازي فرآيند الكترواسپري (اعتبارسنجي و صحه‌گذاري نتايج با ساير نتايج تجربي و عددي)، تاثير پتانسيل الكتريكي بر چگونگي شكل‌گيري فرآيند الكترواسپري مورد بررسي قرار گرفته است. مطابق نتايج شبيه‌سازي، افزايش پتانسيل الكتريكي از سطح كمّي 3500V به 6500V به وضوح شكل‌گيري مودهاي مختلفي از الكترواسپري را به نمايش مي‌گذارد. اين مودها به ترتيب حالت‌هاي ميكروچكيدن، دوكي‌، مخروط جتِ تناوبي و مخروط جتِ پايدار را در بر مي‌گيرند. نتايج همچنين نشان مي‌دهند كه جرياني گردابه‌يي در داخل مخروط مايع در خروج از اِميتر شكل مي‌گيرد كه ابعاد آن با افزايش پتانسيل الكتريكي كاهش مي‌يابد. هر چند ازدياد پتانسيل الكتريكي با تقويت باردارسازي الكتريكي موجب افزايش بيشينه‌ي مقادير ميدان الكتريكي و سرعت مايع مي‌شود ولي در عين حال تجمع بار الكتريكي در تمامي حالات و مستقل از سطح كمّي پتانسيل الكتريكي در سطح محيطي جريان مايع كه مويد رسانايي الكتريكي آن است، به وقوع مي‌پيوندد.

Electrospray is a branch of the scientific area of electrohydrodynamics which is based on electrical charging of liquids. The electrospray governing equations are a combination of hydrodynamic and electrostatic equations to which the addition of liquid breakup process escalates their complexity. This research work aims at developing a numerical solver to simulate the electrospray process in an emitterdisc configuration using Heptane as a working liquid under various electrical potentials. The simulation results in comparison with CFD and experimental data show good agreements both quantitatively and qualitatively. The results clearly have captured the formation of liquid flow profiles at the emitter exit demonstrating various electrospray modes. These modes initiate a microdripping mode at the lowest voltage, i.e. 3.5kV, prompting consecutively to spindle and pulsating conejet modes and ending in a stable conejet mode at the highest charging voltage, i.e. 6.5kV. In addition, it is also observed that the liquid cone and the vortex shaped within it would shrink as an increase in the electric potential is imposed. Although the increase in electric potential results in rise of the maximum magnitudes of electric field and velocity, the electric charge accumulation at all electric potential values occurs on the outer surface of the liquid flow implying its electrical conductivity.