[论文解读] Effect of Couette Flow on Electroconvective Vortices

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

Aerosol Filtration and Electrostatic Precipitation参考文献 72被引用 11

一句话总结

本研究采用双松弛时间格子玻尔兹曼方法结合快速泊松求解器，利用数值模拟研究了库埃特流对电致对流涡旋的时空动力学影响，分析了流场、电场和电荷密度的耦合行为。结果表明，随着横向流速增加，涡旋结构发生形变，并在达到临界剪切应力阈值后最终被抑制。

ABSTRACT

Numerical simulation of Electroconvective vortices behavior in the presence of Couette flow between two infinitely long electrodes is investigated. 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 cross-flow is applied to the solutions after the electroconvective vortices are established. Increasing cross-flow velocity deforms the vortices and eventually suppresses them when threshold values of shear stress are reached.

研究动机与目标

• 理解剪切流对平面电化学系统中电致对流涡旋稳定性与形态的影响。
• 研究在施加库埃特流条件下，从稳定涡旋形成到涡旋抑制的转变过程。
• 量化电致对流涡旋被水动力剪切失稳的临界条件。
• 验证数值模型捕捉电动力学与水动力学现象复杂耦合的能力。

提出的方法

• 采用双松弛时间格子玻尔兹曼方法（TRT-LBM）对流体动力学进行数值模拟，研究电致对流涡旋。
• 在电致对流涡旋稳定后，将库埃特流叠加到系统中，使电极间产生剪切流。
• 采用快速泊松求解器计算电解质间隙中电场和电荷密度的分布。
• 采用完全耦合、时间推进的求解方案，求解速度、电势和电荷密度的耦合方程组。
• 边界条件设定为无滑移壁面和电极上的均匀电势，库埃特流以速度梯度形式施加。
• 通过逐步增加横向流速，追踪涡旋的演化过程，以识别其形变与抑制的临界阈值。

实验结果

研究问题

• RQ1 库埃特流的应用如何影响电致对流涡旋的结构与稳定性？
• RQ2 在何种横向流速或剪切应力水平下，电致对流涡旋开始发生显著形变？
• RQ3 超过何种临界剪切应力阈值时，电致对流涡旋将被完全抑制？
• RQ4 随着水动力剪切增强，涡旋结构在空间和时间上如何演化？
• RQ5 库埃特流在多大程度上破坏了系统中电荷密度和电场的分布？

主要发现

• 随着库埃特流速度增加，电致对流涡旋结构逐渐发生形变，其特征性细胞状图案被扭曲。
• 当施加的剪切应力超过临界阈值时，涡旋最终被抑制，表明系统由对流流动向抑制流动状态发生转变。
• 抑制机制归因于剪切流对驱动涡旋形成的电致对流不稳定性所产生的失稳作用。
• 数值模型成功捕捉了电致对流流与外加水动力剪切之间非线性相互作用的复杂行为。
• 结果表明，涡旋抑制发生在电致对流不稳定性完全破坏之前，提示存在部分失稳的过渡区域。
• 涡旋抑制的临界阈值在不同模拟中保持一致，且与剪切诱导抑制水动力不稳定性理论预期相符。