Impact of High Electric Fields on the Behavior of Water Droplets under Various Ambient Conditions: Experiments and Theory

The interaction of water droplets and electric fields is present in various applications like electrowetting, electrostatic lenses or high-voltage composite insulators. Depending on the application, the electric field is used to actively control the behaviour of the liquid as for example for electrostatic lenses, or is only considered as a boundary condition which has a negative influence on, as for instance, the properties of high-voltage composite insulators. The understanding of the underlying physical mechanisms is essential to predict and control the behaviour of liquids under the impact of electric fields. Even though the general behaviour of water under the impact of constant, alternating and transient electric fields was already investigated experimentally, theoretical and numerically in the past, the influence of electric charges on the behaviour of water droplets or the interaction of nearby droplets under the impact of transient electric fields are still not completely clear. It is well known that water droplets are significantly influenced by external electric fields, resulting in oscillations or deformations. Hence, the presence of electric fields might indirectly impact other physical mechanism like ice nucleation, which is controversially discussed and not unambiguously proven. The present work aims to expand the knowledge of the impact of electric fields on sessile droplets under various ambient conditions. Therefore, the influence of electric charges on the motion of single droplets and the inception field strength for electrical partial discharges for single and multiple droplets are experimentally investigated depending on the electric field strength, droplet volume as well as frequency of the electric field. The oscillation behaviour and partial discharge inception of water droplets are significantly influenced by electric charges. In addition, the interaction of nearby droplets under the impact of transient electric fields is determined and the behaviour is categorized depending on the influencing factors. Furthermore, it is confirmed that heterogeneous ice nucleation can be clearly promoted by the presence of electric fields. While constant electric fields have an almost negligible influence, alternating and transient electric fields significantly promote ice nucleation depending on the frequency, type and strength of the electric field. This present experimental work expands the understanding of the impact of electric fields on water droplets under various boundary conditions and might help to improve and optimize applications like the operation of high-voltage composite insulators at ambient and cold conditions.

Die Interaktion von Wassertropfen und elektrischen Feldern beeinflusst viele technischen Anwendungen wie z. B. elektrostatische Linsen oder Verbundisolatoren. Dabei können elektrische Felder aktiv zum gezielten Kontrollieren von Flüssigkeiten genutzt werden (z. B. elektrostatische Linsen) oder nehmen passiv und ggf. ungewollt Einfluss auf die Anwendung (z. B. Alterung von Verbundisolatoren). Die Kenntnis der zugrunde liegenden physikalischen Mechanismen ist essenziell für Verständnis des Verhaltens von Flüssigkeiten unter Einfluss elektrischer Felder. Obwohl das Verhalten von Wassertropfen unter Einfluss konstanter, alternierender und transienter elektrischer Felder bereits theoretisch, numerisch sowie experimentell untersucht wurde, ist beispielsweise der Einfluss der elektrischen Ladung oder die Koaleszenz von Tropfen unter Einfluss transienter elektrischer Felder bisher nicht ausreichend erforscht. Aufgrund der Interaktion zwischen elektrischen Feldern und Wassertropfen, die zu Oszillationen oder Deformation der Wassertropfen führen können, werden möglicherweise auch weitere physikalische Mechanismen wie die Eisnukleation beeinflusst. Dieser Einfluss wird jedoch kontrovers in bestehender Literatur diskutiert und ist bisher nicht eindeutig bestätigt. Der Fokus dieser Arbeit ist die Untersuchung des Einflusses elektrischer Felder auf das Verhalten von Wassertropfen unter verschiedensten Umgebungsbedingungen. Dazu wurde der Einfluss elektrischer Ladung auf das Verhalten einzelner und mehrerer Wassertropfen in elektrischen Feldern sowie deren Einsetzfeldstärke für Teilentladungen experimentell unter Berücksichtigung der Feldstärke, Frequenz, elektrischen Ladung, Tropfeninteraktion und des Tropfenvolumens untersucht. Besonders elektrische Ladungen beeinflussen das Verhalten von Wassertropfen in elektrischen Feldern und das Auftreten von Teilentladungen maßgeblich. Des Weiteren wurde gezeigt, dass heterogene Eisnukleation durch die Präsenz von elektrischen Feldern begünstigt werden kann. Während der Einfluss konstanter elektrischer Felder auf die Eisnukleation vernachlässigbar gering ist, haben alternierende und transiente elektrische Felder in Abhängigkeit der Frequenz, des Typs sowie der Stärke des elektrischen Feldes einen großen Einfluss und begünstigen das Gefrieren von Wasser. Diese umfassende experimentelle Arbeit erweitert das Verständnis des Einflusses elektrischer Felder auf Wassertropfen unter verschiedensten Umgebungsbedingungen und kann somit zur Optimierung von Anwendungen wie z. B. dem Betrieb von Verbundisolatoren beitragen.