[論文レビュー] Numerical Analysis of Electroconvection Phenomena in Cross-flow

Yifei Guan, Igor Novosselov|arXiv (Cornell University)|Dec 28, 2018

Lattice Boltzmann Simulation Studies被引用数 6

ひとこと要約

本研究では、電荷密度分布からの電場を素早く解くポアソンソルバーを備えた2時間定数Lattice Boltzmann法（TRT-LBM）を用いて、平行電極間の横流しにおける電気対流渦の数値的解析を行った。主な発見は、次元なし比Y（電気的力と粘性力の比）が臨界値を超えると、横流し速度の増加に伴い渦が抑制されることであり、Yは電気対流支配の閾値パラメータとして機能する。

ABSTRACT

Electroconvective phenomena in the presence of cross-flow between two parallel electrodes is investigated in a numerical study. The two-relaxation-time Lattice Boltzmann Method with fast Poisson solver solves for the spatiotemporal distribution of flow field, electric field, and charge density. Couette and Poiseuille cross-flows are applied to the solutions with electroconvective vortices. Increasing cross-flow velocity deforms the vortices and eventually suppresses them when threshold values of shear stress are reached. This behavior is parameterized by a non-dimensional parameter, Y, formulated as the ratio of the electrical force to the viscous force in the Navier-Stokes Equations. For high values of Y, the electric force dominates the flow, while for Y values below the critical threshold, the electric force influence on the flow is negligible and the flow is dominated by the shear.

研究の動機と目的

• 平行板系における電気対流渦と横流しの相互作用を理解すること。
• せん断流れの増加に伴う電気対流渦の抑制を定量化すること。
• 電気的力と粘性力のバランスを特徴付ける次元なしパラメータYを確立すること。
• コウエット流とプアゼイユ流を別々の流れ配置として取り上げ、渦のダイナミクスに与える影響を分析すること。

提案手法

• 流体の流れと電荷輸送を模擬するために、2時間定数Lattice Boltzmann法（TRT-LBM）を用いる。
• 電荷密度分布から電場を計算するために高速ポアソンソルバーを採用する。
• 電気的力に起因する源項を含むナビエ-ストークス方程式を解き、結合された電気流体力学的現象をモデル化する。
• せん断駆動横流しの効果を検討するために、コウエット流およびプアゼイユ流の流れプロファイルを適用する。
• 次元なしパラメータYを、ナビエ-ストークス方程式における電気的力と粘性力の比として定義する。
• 空間的・時間的変動を追跡するために、さまざまな横流し速度下での渦の変形および抑制をシミュレートする。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 横流し速度の増加は、電気対流渦の形状および安定性にどのように影響するか？
• RQ2 電気対流渦を抑制する横流しせん断応力の臨界閾値は何か？
• RQ3 電気的力と粘性力の比を表す次元なしパラメータYは、渦の抑制の発生をどのように予測できるか？
• RQ4 コウエット流とプアゼイユ流は、電気対流系における渦のダイナミクスにどのように異なる影響を与えるか？
• RQ5 Yが臨界値を超えた場合、電気的力が流れに与える支配的影響はどの程度か？

主な発見

• 電気対流渦は、横流し速度の増加に従い、徐々に変形する。
• 横流しせん断応力が閾値に達すると、渦は最終的に抑制される。
• 次元なしパラメータYは、電気対流支配とせん断支配の流れ領域への遷移を効果的に特徴付ける。
• Y値が高くなると、電気的力が流れのダイナミクスを支配し、渦を維持する。
• Y値が臨界閾値未満の場合、電気的力の流れに対する影響は無視可能となり、流れは粘性せん断力によって支配される。
• 渦の抑制は、コウエット流およびプアゼイユ流の両配置で一貫しており、Yパラメータの頑健性が示された。