Computer models of electrohydrodynamic processes in two-phase immiscible liquids and physical substantiation of the limits of their applicability

Project: Grant fulfilmentGrant stage fulfilment

Project Details

Description

Решение соответствующих проблем, в частности, даст возможность улучшить характеристики электрогидродинамических устройств, например, электродегидраторов. Кроме того, запланированная к разработке компьютерная модель будет обладать широким спектром возможных применений для исследования электрофизических процессов в двухфазных средах, включая деформацию и объединение капель электропроводящей жидкости на поверхности гидрофобной изоляции высоковольтного оборудования, процессы смешивания микрообъёмов жидкостей и т.п.

Layman's description

Получена экспериментальная база данных по электрогидродинамическим процессам в двухфазных несмешивающихся жидкостях. Измерены значения коэффициента межфазного натяжения (КМН) для нескольких пар жидкостей и показано, что КМН изменяется со временем контакта двух фаз в случае использования растительных масел. При этом синтетические жидкости показывают более стабильное поведение — изменение КМН не превосходит 2-3% на масштабах 100 с. Для кремнийорганического масла полидеметилсилоксан-50 (ПДМС-50) были получены экспериментальные данные по процессам электрообъединения капель (электрокоалесценции) и их разъединения после касания (т.е. так называемой декоалесценции). Именно этот переход от объединения капель к их разъединению является естественным ограничением сверху по напряжённости электрического поля, которая может применяться в электродегидраторах, используемых, в частности, для очистки нефти от мельчайших капелек воды. Полученные экспериментальные данные содержат полный набор параметров, входящих в математическую систему уравнений, описывающих данный процесс. Тем самым, эти данные пригодны для проведения количественной верификации численных моделей.
Создана численная модель, в которой учитывается влияние токопрохождения в слабопроводящей жидкости (дисперсионной среде) на нарушение равновесия между реакциями диссоциации и рекомбинации, т.е. образование так называемых неравновесных диссоциационно-рекомбинационных слоёв. Показано, что существует диапазон значений свойств жидких диэлектриков, когда эффект повышения напряжённости электрического поля внутри гетерозаряженных слоёв и возникновение электроконвекции оказывают влияние на электрогидродинамические процессы в двухфазных жидкостях, в том числе, для электродеформации изменения имеют масштаб десятков процентов.
Реализован принципиально новый подход к численному моделированию процесса объединения объёмов проводящей жидкости на основе метода подвижной границы путём разделения задачи на два этапа (до и после касания) с ручным добавлением цилиндрической перемычки малой (по сравнению с радиусом капель) длины между двумя каплями. Разработанный алгоритм моделирования был автоматизирован (с использованием программных средств пакета Matlab, который позволяет управлять расчётами в программе COMSOL Multiphysics) так, чтобы процесс расчёта обоих этапов и добавления перемычки мог проводиться без вмешательства пользователя. Детальное исследование показало, что для практического применения можно строить перемычку длинной порядка 1/100 от радиуса капель и радиусом, совпадающим с длиной перемычки.
Проведено количественное сравнение двух разработанных численных моделей между собой и/или с экспериментальными данными по процессам электродеформации, электрокоалесценции и пороговым значениям напряжённости электрического поля, при которых происходит переход от коалесценции к декоалесценции. По всем сравниваемым параметрам получено соответствие моделей между собой (с различиями в пределах примерно 1%) и с экспериментом со средним расхождением около 2-3% и максимальным кратковременным отличием в переходном процессе не более 5%. Как следствие, разработанные численные модели применимы для количественного описания электрогидродинамических процессов в двухфазных несмешивающихся жидкостях. Модель, основанная на методе подвижной границы, является примерно на порядок менее ресурсоёмкой (по требованиям к оперативной памяти и времени вычислений), однако требует ручного изменения геометрии, связанного с добавлением перемычки перед касанием капель.
Проведён анализ границ применимости вышеуказанных моделей в части необходимости учёта переноса ионов и диссоциационно-рекомбинационных процессов в слабопроводящей дисперсионной среде. Построена карта режимов и показано, что в зависимости от значения ключевого безразмерного параметра, характеризующего роль процессов диссоциационного зарядообразования, и времени воздействия возможны три случая: когда токопрохождение в слабопроводящей фазе не оказывает влияния на процессы электродеформации и электрокоалесценции, когда происходит усиление электродеформации и, наоборот, её ослабление. На основе развития соответствующей модели, учитывающей перенос ионов в масле, впервые была объяснена причина несимметричной деформации двух изначально одинаковых капель перед моментом их касания (так называемый “cone-dimple mode” процесса электрокоалесценции).

Key findings for the project

В отчётный период было завершено получение экспериментальной базы данных по электрогидродинамическим процессам в двухфазных несмешивающихся жидкостях. Были измерены значения коэффициента межфазного натяжения (КМН) для нескольких пар жидкостей и подтверждён тот факт, что КМН изменяется со временем контакта двух фаз в случае использования растительных масел. При этом синтетические жидкости показывают более стабильное поведение — изменение КМН не превосходит 2-3% на масштабах 100 с. Для кремнийорганического масла полидеметилсилоксан-50 (ПДМС-50) были получены экспериментальные данные по процессам электрообъединения капель (электрокоалесценции) и их разъединения после касания (т.е. так называемой декоалесценции). Именно этот переход от объединения капель к их разъединению является естественным ограничением сверху по напряжённости электрического поля, которая может применяться в электродегидраторах, используемых, в частности, для очистки нефти от мельчайших капелек воды. Определение этого порога и корректное описание соответствующего процесса является важной частью разработки и оптимизации соответствующих устройств. Полученные экспериментальные данные содержат полный набор параметров, входящих в математическую систему уравнений, описывающих данный процесс. Тем самым, эти данные пригодны для проведения количественной верификации численных моделей.
Далее была завершена разработка метода моделирования процесса объединения капель воды под действием электрического поля на основе произвольного лагранжева-эйлерова метода (или так называемого метода подвижной границы / сетки), который в стандартной реализации не применим для описания изменения топологии объектов. Ключевой идеей модификации этого метода является ручное добавление цилиндрической перемычки между каплями перед моментом касания капель друг друга. Детальное исследование показало, что для практического применения можно строить перемычку длинной порядка 1/100 от радиуса капель и радиусом, совпадающим с длиной перемычки. При этом можно использовать и более малую длину перемычки без наблюдаемого количественного изменения результата.
Проведено количественное сравнение двух разработанных численных моделей между собой и/или с экспериментальными данными по процессам электродеформации, электрокоалесценции и пороговым значениям напряжённости электрического поля, при которых происходит переход от коалесценции к декоалесценции. Особое внимание уделено определению рекомендуемых значений тех параметров модели фазовой функции, которые не имеют прямых физических аналогов — толщины интерфейса и настройки мобильности интерфейса. По всем сравниваемым параметрам (в частности, зависимости степени деформации от времени и пороговому значению напряжённости электрического поля) получено соответствие моделей между собой (с различиями в пределах примерно 1%) и с экспериментом со средним расхождением около 2-3% и максимальным кратковременным отличием в переходном процессе не более 5%. Как следствие, разработанные численные модели применимы для количественного описания электрогидродинамических процессов в двухфазных несмешивающихся жидкостях. Модель, основанная на методе подвижной границы, является примерно на порядок менее ресурсоёмкой (по требованиям к оперативной памяти и времени вычислений), однако требует ручного изменения геометрии, связанного с добавлением перемычки перед касанием капель.
Разработанные модели, включающие в себя систему уравнений, граничные условия, описания взаимосвязи свойств среды со значением фазовой функции, требования к конечно-элементной сетке, алгоритм моделирования, могут быть реализованы не только в используемом программном комплексе COMSOL, но и в других системах вычислений, в частности, на основе решателя Джеррис (Gerris flow solver).
Был проведён анализ границ применимости вышеуказанных моделей в части необходимости учёта переноса ионов и диссоциационно-рекомбинационных процессов в слабопроводящей дисперсионной среде. Построена карта режимов и показано, что в зависимости от значения ключевого безразмерного параметра, характеризующего роль процессов диссоциационного зарядообразования, и времени воздействия возможны три случая: когда токопрохождение в слабопроводящей фазе не оказывает влияния на процессы электродеформации и электрокоалесценции, когда происходит усиление электродеформации и, наоборот, её ослабление. На основе развития соответствующей модели, учитывающей перенос ионов в масле, впервые была объяснена причина несимметричной деформации двух изначально одинаковых капель перед моментом их касания (так называемый “cone-dimple mode” процесса электрокоалесценции).
Разработанные надёжные (верифицированные) численные модели позволили провести исследование влияния основных свойств жидкостей на пороговое значение напряжённости электрического поля, при котором происходит переход от коалесценции к декоалесценции.

Academic ownership of participants (text description)

Чирков Владимир Александрович, доцент, руководство проектом, выполнение всех расчётов на основе метода фазовой функции, написание статей.
Утюгов Григорий Олегович, инженер, численное моделирование электрокоалесценции капель воды в двухфазных жидкостях методом подвижной границы и проведение экспериментального исследования аналогичного процесса и обработка данных.
Добровольский Иоанн Александрович, инженер-исследователь, моделирование токопрохождения в слабопроводящей жидкости (дисперсной среде), включая учёт диссоциационного образования ионов в объёме и их гибели на проводниках и в объёме за счёт рекомбинации. Учёт электрогидродинамических течений и вызываемой ими силы воздействия на межфазную границу.

Transfer of the full copy of the report to third parties for non-commercial use: permitted/not permitted

разрешается

Check of the report for improper borrowing in external sources (plagiarism): permitted/not permitted

разрешается

Rationale of the interdisciplinary approach

Исследование проведено на стыке прикладной физики и электротехники, поскольку на основе физической постановки задачи (на основе сил и описания сплошных сред) разработана модель, которая может применяться для оценки параметров электротехнического устройства.
Short titleЭлектрокоалесценция
AcronymRSF_MOL_2019 - 2
StatusFinished
Effective start/end date1/07/2030/06/21

Fingerprint

Explore the research topics touched on by this project. These labels are generated based on the underlying awards/grants. Together they form a unique fingerprint.