[논문 리뷰] Effect of an axial electric field on the breakup of a leaky-dielectric liquid filament

M. Rubio, A. Ponce-Torres외 3명|arXiv (Cornell University)|2021. 07. 23.

Electrohydrodynamics and Fluid Dynamics참고 문헌 39인용 수 15

한 줄 요약

이 연구는 뉴턴성 비압축성 유착유전체 액체 필라멘트의 파손에 대한軸방향 전기장의 영향을 실험적으로 및 수치적으로 조사하며, 수렴적으로는 유체역학적 힘이 지배함에도 불구하고 분극화 응력이 수축을 지연시킴을 밝혀낸다. 실험 결과 전기장에 의해 보조 방울이 형성되며, 시뮬레이션은 분극화 응력이 발산되나 파손 근처에서는 열세가 되어 있음을 확인한다.

ABSTRACT

We study experimentally and numerically the thinning of a Newtonian leaky-dielectric filament subject to an axial electric field. We consider moderately viscous liquids with high permittivity. The experiments show that satellite droplets are produced from the breakup of the filaments with high electrical permittivity due to the action of the electric field. Two electrified filaments with the same minimum radius thin at the same speed regardless of when the voltage was applied. The numerical simulations show that the polarization stress is responsible for the pinching delay observed in the experiments. Asymptotically close to the pinching point, the filament pinching is dominated by the diverging hydrodynamic forces. The polarization stress becomes subdominant even if this stress also diverges at this finite-time singularity.

연구 동기 및 목표

• 축방향 전기장이 뉴턴성 비압축성 유착유전체 액체 필라멘트의 수축 및 파손 역학에 미치는 영향을 이해하는 것.
• 수축 특이점 근처에서 발산되는 유체역학적 응력과 전기적 응력 간의 경쟁을 규명하는 것.
• 전기적 응력이 점탄성 및 고유전율 유체에서 표준화된 표면장력 파손 법칙을 변화시키는지 여부를 확인하는 것.
• 고속 실험 관측 결과와 일치하는 수치 시뮬레이션을 통해 유착유전체 모델을 검증하는 것.
• 축방향 전압 존재 하에 분극화 응력이 수축 과정을 지연시키는 역할을 하는지 조사하는 것.

제안 방법

• 강철 모세관과 coppeR 디스크 사이의 액체 브리지 구조를 이용해 축방향 전기장을 적용하는 실험 장치.
• 다양한 전압에서 필라멘트 수축 및 파손 역학을 촬영하기 위한 고속 영상 촬영.
• 완전한 나비에-스토크스 방정식과 전기적 장 방정식을 해석하기 위한 유착유전체 모델 기반 수치 시뮬레이션.
• 전하 보존 방정식을 단순화하기 위해 긴장 근사법을 적용하고 자가유사 해를 도출.
• 자유 표면 및 전기장 진화를 추적하기 위해 볼륨 오브 플루이드 방법을 구현.
• 수축점 근처의 응력 균형 분석을 통해 유체역학적, 표면장력적, 분극화 응력의 기여도를 비교.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 축방향 전기장은 필라멘트 파손 중 보조 방울의 형성과 크기에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ2 파손 특이점 근처에서 분극화 응력과 유체역학적 힘 간의 기여도는 어떻게 비교되는가?
• RQ3 전기장이 관성-표면장력 또는 점성-표면장력 영역의 표준화된 스케일링 법칙을 변화시키는가?
• RQ4 전압 적용 시점은 필라멘트 수축 역학에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 유착유전체 모델의 수치 시뮬레이션은 실험적 파손 역학을 정확히 재현할 수 있는가?

주요 결과

• 실험 결과 동일한 최소 반지름을 가진 두 필라멘트가 전압 적용 시점과 관계없이 동일한 속도로 수축함을 확인하여, 전기장 강도에 의해 지배되는 표준화된 역학이 존재함을 시사한다.
• 고유전율을 가진 비압축성 유착유전체 필라멘트에서 축방향 전기장 하에 보조 방울이 일관되게 생성됨을 확인하여, 전기장이 비균일한 파손을 촉진하는 역할을 함을 입증한다.
• 수치 시뮬레이션은 관측된 수축 지연 현상을 분극화 응력 탓으로 규명하며, 이는 빠른 수축을 저항하는 힘으로 작용함을 보여준다.
• 필라멘트가 파손에 가까워질수록 유체역학적 힘이 발산되는 유체역학적 응력과 분극화 응력 둘 다에 비해 지배적이 된다.
• 분극화 응력은 발산되나 渐진적으로 열세가 되므로, 최종 수축 파손 역학은 전기장이 없는 경우의 표준화된 스케일링 법칙과 일치함을 의미한다.
• 전기장의 영향은 필라멘트 수축의 중간 단계에서 가장 두드러지며, 이 시기 분극화 응력이 직경 감소 속도를 조절하고 이후에 유체역학적 힘이 지배하게 된다.