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.