[论文解读] 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 6

一句话总结

本研究采用双松弛时间格子玻尔兹曼方法（TRT-LBM）结合快速泊松求解器，数值研究了平行电极间横向流场中电致对流涡旋的流动、电场和电荷密度分布。关键发现为：当超过临界无量纲比值 Y（电场力与黏性力之比）时，横向流速的增加会抑制涡旋，Y 作为电致对流主导性的阈值参数。

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.

研究动机与目标

• 理解平行板系统中电致对流涡旋与横向流的相互作用。
• 量化剪切流增强时电致对流涡旋的抑制效应。
• 提出一个无量纲参数Y，表征电致对流中电场力与黏性力的平衡关系。
• 分析库埃特流与泊松流两种不同流动构型对涡旋动力学的影响。

提出的方法

• 采用双松弛时间格子玻尔兹曼方法（TRT-LBM）模拟流体流动与电荷输运。
• 采用快速泊松求解器从电荷密度分布计算电场。
• 求解带电场力源项的纳维-斯托克斯方程，以模拟耦合的电致流体动力学行为。
• 应用库埃特流与泊松流速度分布，研究剪切驱动横向流的影响。
• 将无量纲参数Y定义为纳维-斯托克斯方程中电场力与黏性力的比值。
• 进行时空模拟，追踪不同横向流速下涡旋的形变与抑制过程。

实验结果

研究问题

• RQ1 增加横向流速如何影响电致对流涡旋的形态与稳定性？
• RQ2 抑制电致对流涡旋的横向流剪切应力临界阈值是多少？
• RQ3 无量纲参数Y（表征电场力与黏性力之比）如何预测涡旋抑制的起始？
• RQ4 库埃特流与泊松流在电致对流系统中如何差异化地影响涡旋动力学？
• RQ5 当Y超过临界值时，电场力在流动中占据主导地位的程度如何？

主要发现

• 随着横向流速增加，电致对流涡旋发生渐进性形变。
• 当横向流剪切应力达到阈值时，涡旋最终被抑制。
• 无量纲参数Y能有效表征电致对流与剪切主导流态之间的转变。
• 当Y值较高时，电场力主导流动动力学并维持涡旋存在。
• 当Y值低于临界阈值时，电场力对流动的影响可忽略不计，流动由黏性剪切主导。
• 在库埃特流与泊松流两种横向流构型下，涡旋抑制现象具有一致性，表明Y参数具有鲁棒性。