[论文解读] Effect of an axial electric field on the breakup of a leaky-dielectric liquid filament

M. Rubio, A. Ponce-Torres+3 more|arXiv (Cornell University)|Jul 23, 2021

Electrohydrodynamics and Fluid Dynamics参考文献 39被引用 15

一句话总结

本研究通过实验和数值模拟，探究轴向电场对牛顿型漏电流体丝破裂的影响，发现尽管在渐近极限下流体动力学力占主导，极化应力仍会延迟缩颈过程。实验显示，电场导致卫星液滴形成，模拟结果证实，尽管极化应力发散，但在接近破裂时其作用变为次要。

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.

研究动机与目标

• 理解轴向电场如何影响牛顿型漏电流体丝的变细与破裂动力学。
• 解析在缩颈奇点附近发散的流体动力学应力与电场应力之间的竞争关系。
• 确定电场应力是否改变粘性、高介电常数流体中毛细破裂的普遍标度律。
• 通过高速实验观测验证漏电流体模型的数值模拟结果。
• 研究极化应力在轴向电压存在下延迟缩颈过程的作用。

提出的方法

• 采用钢毛细管与铜盘之间的液桥结构，施加轴向电场的实验装置。
• 利用高速成像捕捉不同电压下液丝变细与破裂的动力学过程。
• 基于漏电流体模型进行数值模拟，求解完整的纳维-斯托克斯方程与静电场方程。
• 采用细长近似简化电荷守恒方程，以实现自相似解。
• 采用体积分数法追踪自由表面及电场演化过程。
• 分析缩颈点附近的应力平衡，比较流体动力学应力、毛细应力与极化应力。

实验结果

研究问题

• RQ1 轴向电场如何影响液丝破裂过程中卫星液滴的形成与尺寸？
• RQ2 在破裂奇点附近，极化应力与流体动力学力的相对贡献如何？
• RQ3 电场是否改变惯性-毛细或粘性-毛细区域的普遍标度律？
• RQ4 电压施加时机如何影响液丝变细的动力学？
• RQ5 漏电流体模型的数值模拟能否准确再现实验中的破裂动力学？

主要发现

• 实验表明，即使电压施加时间不同，具有相同最小半径的两条液丝其变细速率一致，表明动力学具有普遍性，受电场强度控制。
• 在高介电常数漏电流体丝中，轴向电场持续导致卫星液滴形成，证实电场促进非均匀破裂的作用。
• 数值模拟将观测到的缩颈延迟归因于极化应力，其作为抵抗快速变细的阻力起作用。
• 当液丝接近破裂时，尽管流体动力学应力与极化应力在奇点处均发散，但流体动力学力仍占主导。
• 尽管极化应力发散，其在渐近极限下变为次要作用，意味着最终缩颈动力学仍与无电场时的普遍标度律一致。
• 电场影响在变细的中间阶段最为显著，此时极化应力调节直径减小速率，直至流体动力学力主导整个过程。