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Modelling of Electrohydrodynamic Droplet Motion under the Influence of Strong Electric Fields

Ouedraogo, Yun (2020):
Modelling of Electrohydrodynamic Droplet Motion under the Influence of Strong Electric Fields.
Darmstadt, Technische Universität,
DOI: 10.25534/tuprints-00014008,
[Ph.D. Thesis]

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Text
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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Modelling of Electrohydrodynamic Droplet Motion under the Influence of Strong Electric Fields
Language: English
Abstract:

This work focuses on the numerical study of electrohydrodynamic multiphase fluid flow problems. Liquid bodies experience deformations caused by strong external electric fields. These deformations can be used in industrial applications to accurately control the motion of single droplets. In the limiting case, strong electric fields can force atomisation of fine microdroplets from much larger liquid bulks. Due to differences in the electrical properties of the different fluid phases, the flow affects in turn the electric field distribution.

The analysis of such coupled flows requires numerical modelling of the interdependent hydrodynamic and electrodynamic problems. Since most liquids exhibit some conductivity due to intrinsic ionic species and dissolved impurities, the electrodynamic problem must be modelled by an electroquasistatic model taking into account capacitive, resistive and convective electrical currents. This electroquasistatic problem is coupled to an incompressible fluid flow problem described by the Navier-Stokes equations. Both problems are solved on the same computational grid, using the finite volume method.

The fluid-fluid interface is modelled using the volume of fluid method. The resulting diffuse interface captures the motion of the phase boundaries while efficiently handling topology changes. The motion of contact lines is furthermore modelled using a dynamic contact angle model including hysteresis effects. Pinned contact lines and stick-slip contact line motion in transient problems can therefore be represented. The developed solver is readily applicable to a large range of electrohydrodynamic flow problems.

This work investigates electrohydrodynamic flows occurring in three technical applications. First, the dynamics of sessile droplets subjected to an AC electric field on the surface of an insulator are considered. The dynamics of the oscillating droplets are compared with experimental data. Partial discharge inception fields are then estimated for similar configurations. Secondly, the detachment dynamics of two liquids in an on-demand droplet generator, where droplet detachment is enforced by electric fields, are considered and compared to experimental data. The different conductivities of the liquids are shown to lead to substantially different detachment dynamics. Relevant parameters in the detachment dynamics are extracted from the simulations. Finally, transient electrosprays in the cone-jet mode are characterised for a number of liquids with different electromechanical properties. The charge-radius correlations of the first ejections are found to obey the scaling laws reported in the literature. Moreover, additional scaling laws are found for the subsequent ejections.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
Diese Arbeit behandelt die numerische Untersuchung von elektrohydrodynamischen Mehrphasenströmungsproblemen. Flüssigkeitsansammlungen können durch starke externe elektrische Felder deformiert werden. In industriellen Anwendungen wird dieser Effekt genutzt, um die Bewegung einzelner Flüssigkeitströpfchen mit hoher Genauigkeit zu steuern. Außerdem werden starke elektrische Felder zur Zerstäubung von Flüssigkeitsansammlungen in Mikrotröpfchen verwendet. Aufgrund der unterschiedlichen elektrischen Eigenschaften verschiedener Flüssigkeitsphasen bewirkt die Strömungsdynamik eine Rückkopplung auf die Verteilung des elektrischen Feldes. Eine numerische Modellierung derartiger Strömungsprobleme erfordert deshalb eine gekoppelte Lösung der hydrodynamischen und der elektrodynamischen Gleichungen. Weil die meisten Flüssigkeiten eine gewisse Ionenleitfähigkeit aufweisen, ist ein elektroquasistatisches Modell unter Beachtung von kapazitiven, resistiven und konvektiven elektrischen Ströme erforderlich. Dieses Modell wird durch eine Kopplung an das Strömungsproblem für inkompressible Flüssigkeiten erweitert, welches durch die Navier-Stokes-Gleichungen beschrieben wird. Beide Probleme werden auf demselben Rechengitter mittels der Finite-Volumen-Methode gelöst. Aufgrund des Verhaltens der simulierten Strömungen, das unter anderem änderungen der Topologie an der Grenzschicht zwischen den Flüssigkeiten beinhaltet, wird die Bewegung der Grenzschicht mittels der Fluidvolumenmethode für diffuse Grenzschichten abgebildet. Außerdem wird die Bewegung der Kontaktlinien mittels eines dynamischen Kontaktwinkelmodells unter Beachtung von Hystereseeffekten modelliert. Dieses Modell erlaubt eine akkurate Beschreibung von Haftgleiteffekten bei transienten Bewegungen der Kontaktlinie. Die entwickelte Lösungsmethode kann leicht auf eine Vielzahl elektrohydrodynamischer Strömungsprobleme angewandt werden. In dieser Arbeit werden die elektrohydrodynamische Strömungen für drei technische Anwendungen untersucht. Zuerst wird die Dynamik von Tröpfchen auf einem Isolator unter Einfluss eines elektrischen Wechselfelds untersucht. Die Dynamik der oszillierenden Tröpfchen wird mit experimentellen Daten verglichen. Im Anschluss werden die Teilentladungseinsetzfeldstärken in ähnlichen Konfigurationen abgeschätzt. Als zweites wird die feldstärkeninduzierten Ablösedynamik in einem Tröpfchengenerator für zwei verschiedener Flüssigkeiten untersucht und mit Messdaten verglichen. Die unterschiedliche Leitfähigkeit der beiden Flüssigkeiten führt zu substanziellen Unterschieden in der Ablösedynamik. Die relevanten Parameter für die Ablösedynamik werden aus den Simulationen extrahiert. Zuletzt werden transiente Elektrosprays im Cone-Jet Modus für Flüssigkeiten mit unterschiedlichen elektromechanischen Eigenschaften charakterisiert. Die Korrelation zwischen Ladung und Radius des zuerst erzeugten Tröpfchens reproduziert bekannte Skalengesetze. Außerdem liefert die Untersuchung modifizierte Skalengesetze für die nachfolgend erzeugten Tröpfchen.German
Place of Publication: Darmstadt
Classification DDC: 600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 620 Ingenieurwissenschaften
Divisions: 18 Department of Electrical Engineering and Information Technology > Institute for Accelerator Science and Electromagnetic Fields > Electromagnetic Field Theory (until 31.12.2018 Computational Electromagnetics Laboratory)
18 Department of Electrical Engineering and Information Technology > Institute for Accelerator Science and Electromagnetic Fields
Date Deposited: 27 Oct 2020 13:27
Last Modified: 27 Oct 2020 14:22
DOI: 10.25534/tuprints-00014008
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-140088
Referees: Gjonaj, PD Dr. Erion and De Gersem, Prof. Dr. Herbert and Tropea, Prof. Dr. Cameron
Refereed: 5 June 2020
URI: https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/14008
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