Влияние электрического поля на динамику структурных компонентов течения при гравитационном отрыве капли воды

Обложка

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ Открытый доступ
Доступ закрыт Доступ предоставлен
Доступ закрыт Доступ платный или только для подписчиков

Аннотация

Методом высокоскоростной видеорегистрации исследуется влияния электростатического поля (с потенциалом Ф = 0, 16 и 18 кВ) на геометрию течения при гравитационном отрыве капли от капилляра. Проведен анализ видеограмм течения, определены размеры характерных элементов структур – собственно капель, перемычки и сателлитов. Прослежены осцилляции линейных размеров и объема остатка маточной жидкости после отрыва капли при Ф = 0 и 18 кВ. В спектрах наблюдаются как основные частоты, так и их гармоники. Обнаружено, что небольшие изменения (12%) в значении потенциала вызывают качественные изменения картины течения, в частности, приводят к прямому отрыву капли от маточной жидкости без образования перемычки. При постоянном расходе жидкости в капилляре размер отрывающихся капель уменьшается с ростом напряжения. Опыты показывают возможность тонкого управления капельными течениями с помощью электростатического поля.

Полный текст

Доступ закрыт

Об авторах

Ю. Д. Чашечкин

Институт проблем механики им. А. Ю. Ишлинского РАН

Автор, ответственный за переписку.
Email: chakin@ipmnet.ru
Россия, Москва

В. Е. Прохоров

Институт проблем механики им. А. Ю. Ишлинского РАН

Email: prohorov@ipmnet.ru
Россия, Москва

Список литературы

  1. abbé Nollet J.A. Recherches sur les causes particulieres des phénomènes électriques, et sur les effets nuisibles ou avantageux qu’on peut en attendre. Paris: Chez les Freres Guerin, 1974. 444 p.
  2. Ломоносов М.В. Слово о явлениях воздушных, от электрической силы происходящих. Избранные произведения. Т. 1. Естественные науки и философия. М.: Наука. 1986. С. 163–191.
  3. Zeleny J. The electrical discharge from liquid points, and a hydrostatic method of measuring the electric intensity at their surfaces // Phys. Rev. 1914. V. 3(2), P. 69–91. doi: 10.1103/PhysRev.3.69
  4. Zeleny J. On the conditions of instability of electrified drops, with applications to the electrical discharge from liquid points // Proc. Camb. Phil. Soc. 1915. V. 18(1), P. 71–83.
  5. Zeleny J. Instability of electrified liquid surfaces // Phys. Rev. 1917. V. 10(1). P. 1–6. doi: 10.1103/PhysRev.10.1
  6. Tucker N., Stanger J.J., Staiger M.P., Razzaq H., Hofman K. The history of the science and technology of electrospinning from 1600 to 1995 // J. of Eng. Fibers and Fabrics, Special iss. 2012. V. 7(2). P. 63–71. doi: 10.1177/155892501200702S10
  7. Wesdemiotis С., Williams-Pavlantos K.N., Keating A.R., McGee A.S., Bochenek C. Mass spectrometry of polymers: A tutorial review // Mass. Spec. Rev. 2023. P. 1–50. https://doi.org/10.1002/mas.21844
  8. Edgerton H.E., Hauser E.A., Tucker W.B. Studies in drop formation as revealed by the high-speed motion camera // J. Phys. Chem. 1937. V. 41(7). P. 1017–1028. https://doi.org/10.1021/j150385a012
  9. Peregrine D.H., Shoker G., Symon A. The bifurcation of liquid bridges // J. of Fluid Mech. 1990. V. 212(1). P. 25–39. doi: 10.1017/S0022112090001835
  10. Zhang X., Basaran O.A. An experimental study of dynamics of drop formation // Phys. of Fluids. 1995. V.7(6). P. 1184–1203. doi: 10.1063/1.868577
  11. van der Waals J.D. The thermodynamic theory of capillarity flow under the hypothesis of a continuous variation of density (transl. by Rowlinson J.S.) // J. Statist. Phys. 1979. V. 20. P. 197–244.
  12. Brackbill J.U., Kothe D.B., Zemach C. A new method for modeling surface tension effects on fluid // J. Comp. Phys. 1992. V. 100. P. 335–354. doi: 10.1016/0021-9991(92)90240-Y
  13. Bierbrauer F., Kapur N., Wilson M.C.T. Drop pinch-off for discrete flows from a capillary // ESAIM: Proc. 2013. V. 40. P. 16–33. http://dx.doi.org/10.1051/proc/201340002
  14. Notz P.K., Chen A.U., Basaran O.A. Satellite drops: Unexpected dynamics and change of scaling during pinch-off // Phys. Fluids. 2001. V. 13(3), P. 549–552. doi: 10.1063/1.1343906
  15. Прохоров В.Е., Чашечкин Ю.Д. Динамика отрыва одиночных капель в воздушной среде // Изв. РАН. МЖГ. 2014. № 4. С. 109–118. = Prokhorov V.E., Chashechkin Yu.D. Dynamics of separation of a single drop in air // Fluid Dyn. 2014, V. 60(8), P. 355–359. doi: 10.1134/S1028335815080054
  16. Коршунов А.И. Колебания оторвавшейся от перемычки капли воды // Изв. РАН. МЖГ. 2015. № 4. C. 139–143. = Korshunov A.I. Oscillations of a water droplet separated from the connection // Fluid Dyn. 2015. V. 50. P. 585–589. https://doi.org/10.1134/S0015462815040134
  17. Kowalewski T.A. On the separation of droplets from a liquid jet // Fluid Dyn. Res. 1996. V. 17(3), P. 121–145. doi: 10.1016/0169-5983(95)00028-3
  18. Henderson D.M., Pritchard W.G., Smolka L.B. On the pinch-off of a pendant drop of viscous fluid // Phys. Fluids. 1997. V. 9(11). P. 3188–3200. https://doi.org/10.1063/1.869435
  19. Burton J.C., Rutledge J.E., Taborek P. Fluid pinch-off in superfluid and normal // Phys. Rev. E. 2007. V. 75(3). P. 036311. doi: 10.1103/physreve.75.036311
  20. Thiґevenaz V., Saureta A. The onset of heterogeneity in the pinch-off of suspension drops // PNAS. 2022. V. 119(13). P. 2120893119. https://doi.org/10.1073/pnas.2120893119
  21. Dinic J., Sharma V. Computational analysis of self-similar capillary-driven thinning and pinch-off dynamics during dripping using the volume-of-fluid method // Phys. Fluids. 2019. V. 31. P. 021211. doi: 10.1063/1.5061715
  22. Eggers J. Nonlinear dynamics and breakup of free-surface flows // Rev. of Modern Phys. 1997. V. 69(3). P. 865–929. doi: 10.1103/RevModPhys.69.865
  23. Eggers J., Villermaux E. Physics of liquid jets // Rep. Prog. Phys. 2008. V. 71. P. 036601. doi: 10.1088/0034–4885/71/3/036601
  24. Taylor G.I. Disintegration of water drops in an electric field // Proc. Roy. Soc. London A. 1964. V. 280(1382). P. 383–397. doi: 10.1098/rspa.1964.0151
  25. Cloupeau M., Prunet-Foch B. Electrostatic spraying of liquids: Main functioning modes // J. of Electrostatics. 1990. V. 25(2). P. 165–184. doi: 10.1016/0304-3886(90)90025-q
  26. Notz P.K., Basaran O.A. Dynamics of drop formation in an electric field // J. of Colloid and Interface Sci. 1999. V. 213(1). P. 218–237. doi: 10.1006/jcis.1999.6136
  27. Eow J.S., Ghadiri M., Sharif A. Experimental studies of deformation and break-up of aqueous drops in high electric fields // Colloids and Surfaces A: Physicochem. Eng. Aspects. 2003. V. 225. P. 193–210.
  28. Vlahovska P.M. Electrohydrodynamics of drops and vesicles // Ann. Rev. of Fluid Mech. 2019. V. 51. P. 305–330. doi: 10.1146/annurev-fluid-122316050120
  29. Byers C.H., Perona J.J. Drop formation from an orifice in an electric field // AIChE J. 1988. V. 34(9). P. 1577–1580. doi: 10.1002/aic.690340922
  30. Hokmabad B.V., Sadri B., Charan M.R., Esmaeilzadeh E. An experimental investigation on hydrodynamics of charged water droplets in dielectric liquid medium in the presence of electric field // Colloids and Surfaces A: Physicochem. Eng. Aspects. 2012. V. 401. P. 17–28. https://doi.org/10.1016/j.colsurfa.2012.02.043
  31. Hokmabad B.V., Faraji S., Dizajyekan T.G., Sadri B., Esmaeilzadeh E. Electric field-assisted manipulation of liquid jet and emanated droplets // Int. J. of Multiphase Flow. 2014. V. 65. P. 127–137.
  32. Zemskov A.A., Shiryaeva S.O., Grigor’ev A.I. The theory of monodispersion of liquids by gravitational and electric fields // J. Colloid Interface Sci. 1993. V. 158(1). P. 54–63. doi: 10.1006/jcis.1993.1228
  33. Grigor’ev A.I., Shiryaeva S.O. The theoretical consideration of physical regularities of electrostatic dispersion of liquids as aerosols // J. Aerosol Sci.. 1994. V. 25(6). P. 1079–1091. doi: 10.1016/0021-8502(94)90203-8
  34. Зубарев Н.М. Формирование конических острий на поверхности жидкого металла в электрическом поле // Письма в ЖЭТФ. 2001. № 73(10). С. 613–617. = Zubarev N.M. Formation of conic cusps at the surface of liquid metal in electric field // JETP Letters. 2001. V. 73(10). P. 544–548. doi: 10.1134/1.1387524
  35. Karabut E.A., Zhuravleva E.N., Zubarev N.M., Zubarev O.V. Evolution of nonlinear perturbations for a fluid flow with a free boundary. Exact results // J. Fluid Mech. 2022. V. 953. A1. doi: 10.1017/jfm.2022.918
  36. Takamatsu T., Yamaguchi M., Katayama T. Formation of single charged drops in a non-uniform electric field // JCEJ. 1983. V.16(4). P. 267–272. https://doi.org/10.1252/jcej.16.267
  37. Зубарев Н.М. Развитие неустойчивости заряженной поверхности жидкого гелия: точные решения // Письма в ЖЭТФ. 2000. № . 71(9). C. 534–538.
  38. Thoroddsen S.T., Etoh T.G., Takehara K. High-speed imaging of drops and bubbles // Ann. Rev. of Fluid Mech. 2008. V. 40(1). P. 257–285. doi: 10.1146/annurev.fluid.40.111406.102215
  39. Чашечкин Ю.Д., Прохоров В.Е. Андросенко В.Н. Моделирование влияния электрического поля на капельные течения // Физико-химическая кинетика в газовой динамике. 2023. № 24(4). С. 1–15. doi: 10.33257/PhChGD.24.4.1057
  40. Rai P., Gautam N., Chandra H. An experimental approach of generation of micro/nano scale liquid droplets by electrohydrodynamic atomization (EHDA) process // Mater. Today: Proc. 2017. V.4(2). P. 611–620. doi: 10.1016/j.matpr.2017.01.064
  41. Jones A.R., Thong K.C. The production of charged monodisperse fuel droplets by electrical dispersion // J. Phys. D: Appl. Phys. 1971. V.4. P. 1159–1168. doi: 10.1088/0022-3727/4/8/316
  42. Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М. Гидродинамика. М.: Наука, 1986. 736 с.
  43. Chashechkin Y.D. Foundations of engineering mathematics applied for fluid flows // Axioms. 2021. V. 10(4). P. 286. https://doi.org/10.3390/axioms10040286
  44. Эйзенберг Д., Кауцман В. Структура и свойства воды. Л-д: ГИМИЗ, 1975.
  45. Teschke O., de Souza E.F. Water molecule clusters measured at water/air interfaces using atomic force microscopy // Phys. Chem. Chem. Phys. 2005. V. 7(22). P. 3856–3865.
  46. Бункин Н.Ф., Индукаев К.В., Игнатьев П.С. Cпонтанная самоорганизация газовых микропузырей в жидкости // ЖЭТФ. 2007. № 131(3). C. 539–555.
  47. Чашечкин Ю.Д., Ильиных А.Ю. Тонкая структура картины распределения вещества свободно падающей капли на поверхности и в толще принимающей жидкости в импактном режиме слияния // Физико-химическая кинетика в газовой динамике. 2023. № 24(2). С. 1043. doi: 10.33257/PhChGD.24.2.1043
  48. УИУ «ГФК ИПМех РАН: Гидрофизический комплекс для моделирования гидродинамических процессов в окружающей среде и их воздействия на подводные технические объекты, а также распространения примесей в океане и атмосфере: site http://www.ipmnet.ru/uniqequip/gfk/#equip.
  49. Borthakur M.P, Biswas G., Bandyopadhyay D. Formation of liquid drops at an orifice and dynamics of pinch-off in liquid jets // Phys. Rev. 2017. E96. P. 013115. doi: 10.1103/PhysRevE.96.013115
  50. Byers C.H., Perona J.J. Drop formation from an orifice in an electric field // AIChE J. 1988. V.34. P. 1577–1580. https://doi.org/10.1002/aic.690340922
  51. Cram L.E. A numerical model of droplet formation. Proceedings of the 1983 International conference on computational techniques and applications held in University of Sydney, Australia. Elsevier, 1984. P. 182–187.

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать
2. Рис. 1. Экспериментальный стенд: 1 – источник высокого напряжения; 2 – дозатор капель; 3 – экран; 4 – кювета с электродом; 5 – видеокамера. Вставка: схема капилляра с кольцевым электродом.

Скачать (326KB)
Метаданные
3. Рис. 2. Изменение положения маточной жидкости, капли и сателлита: (а–г) – t = 0, 18, 59, 77 мс после отрыва перемычки (деление шкалы 5 мм. Ф = 0 кВ).

Скачать (444KB)
Метаданные
4. Рис. 3. Вариации высоты (а) и объема (б) маточной жидкости; спектры (в) вариаций высоты (1) и объема (2) с пиковыми частотами 30, 70, 80 и 112 Гц (Ф = 0 кВ).

Скачать (184KB)
Метаданные
5. Рис. 4. Эволюция оторвавшейся заряженной капли при Ф = 16 кВ, время отсчитывается от момента полного отрыва перемычки, (а–м) – t = –1.65, 0, 0.45, 2.80, 4.0, 6.15, 10.35, 13.35, 17.55, 21.05, 24.35, 40.65 мс, деление шкалы: (а–е) – 2 мм; (ж–м) – основное поле 5 мм, вставка 1 мм.

Скачать (818KB)
Метаданные
6. Рис. 5. Эволюция течения при отрыве заряженной капли в электрическом поле Ф = 18 кВ, время отсчитывается от момента полного отрыва перемычки: (а–м) – t = –1.65, 0, 0.45, 2.80, 6.15, 17.55, 36.35, 40.20, 48.15, 49.05, 50.30, 77.35 мс. Деление шкалы: (а–е) – 2 мм; (ж–м) – основное поле – 5 мм, вставка – 1 мм.

Скачать (553KB)
Метаданные
7. Рис. 6. Положение маточной жидкости при Ф =18 кВ после отрыва второй капли (а) объемом V = 5.2 мм3: (а–г) – t=0, 18, 56, 94 мс; деление шкалы 2 мм.

Скачать (415KB)
Метаданные
8. Рис. 7. Вариации параметров маточной жидкости при Ф = 18 кВ: высоты (а), горизонтального смещения вершины (б) и объема (в) после отрыва второй капли; (г) – спектры вариаций высоты (1) и объема (2) – пиковые частоты 40, 80, и 110 Гц; (д) – спектры вариаций горизонтального смещения, пиковые частоты 40, 80 и 190 Гц; вставка – спектр выделенного участка (б), пиковая частота 300 Гц.

Скачать (243KB)
Метаданные

© Российская академия наук, 2024