فهرست مطالبعنوان: صفحهفصل اول:آشنایی با کاربردهای الکتروهیدرودینامیک..........15 فصل دوم: پایه های نظری الکتروهیدرودینامیک.......34 2-1 مقدمه............35 2-2 بار الکتریکی........35 2-3 گشتاور دو قطبی......35 2-4 پلاریزاسیون......36 2-4-1 انواع پلاریزاسیون........38 2-5 الکتروفورسیس و دی الکترو فورسیس.......39 2-6 سیالات قطبی و غیر قطبی......41 2-7 فرایند تولید بار در سیال دی الکتریک......41 2-7-1 علل داخلی تولید بار.........41 2-7-2 علل خارجی تولید بار.......42 2-8 موبیلیته....................................................................................................................................................................................................................................43 2-9 جریان های الکتریکی در سیالات دی الکتریک...............................................................................................................................................................45 2-9-1اصل بقاء بار.............................................................................................................................................................................................................................45 2-9-2جریان الکتریکی در سیالات غیر قطبی............................................................................................................................................................................45 2-10 معادلات ماکسول...................................................................................................................................................................................................................48 فصل سوم:پیشینه پژوهش..........................................................................................................................................................................................................50 فصل چهارم:نتایج تجربی............................................................................................................................................................................................................654-1 رفتار تک قطره ..................................................................................................................................................................................................................... 66 4-2 اجزاء شبکه عصبی ...............................................................................................................................................................................................................78 4-3 رفتار دو قطره ........................................................................................................................................................................................................................84 4-4 گسیختگی، جاذبه و دافعه قطرات ....................................................................................................................................................................................90 4-5 اتصال کوتاه ............................................................................................................................................................................................................................98 فصل پنجم:نتایج عددی..........................................................................................................................................................................................................1015-1 روش مبنا ذره ای...............................................................................................................................................................................................................103 5-1-1روش شبکه گاز...................................................................................................................................................................................................................105 5-1-2روش شبکه بولتزمن...........................................................................................................................................................................................................106 5-1-3 تابع تعادلی گسسته شده.....................................................................................................................................................................................108 5-1-4 گسسته کردن فضای فاز......................................................................................................................................................................................108 5-1-5 فرم گسسته معادله بولتزمن................................................................................................................................................................................110 5-1-6 ارتباط با معادله ناویر استوکس..........................................................................................................................................................................111 5-1-7 الگوریتم حل...........................................................................................................................................................................................................112 5-1-8 شرایط مرزی در شبکه بولتزمن.........................................................................................................................................................................112 5-1-9 مدلسازی جریان چند فازی............................................................................................................................................................................... 116 5-1-10 مدلسازی ترم EHD.............................................................................................................................................................................................118 5-1-11 اعتبار سنجی و نتایج............................................................................................................................................................................................121 5-2 روش بدون شبکه................................................................................................................................................................................................................130 5-2-1 نتایج روش بدون شبکه...............................................................................................................................................................................................134فصل ششم:نتایج تحلیلی...........................................................................................................................................................................................................1446-1 معادلات حاکم.....................................................................................................................................................................................................................146 6-1-1 معادلات میدان الکتریکی.............................................................................................................................................................................................151 6-1-2 معادلات خطوط جریان ............................................................................................................................................................................................1516-2 حل معادله پتانسیل الکتریکی.........................................................................................................................................................................................153 6-3 بارهای سطحی الکتریکی..................................................................................................................................................................................................160 6-4 ناپیوستگی تنشهای الکتریکی..........................................................................................................................................................................................161 6-5 محاسبه جریان سیال و تنشهای هیدرودینامیکی........................................................................................................................................................164 6-6 محاسبه فشار هیدرودینامیکی.........................................................................................................................................................................................179 6-7 محاسبه تغییر شکل سطح قطره.....................................................................................................................................................................................182 6-8 تغییر شکل گذرای سطح قطره........................................................................................................................................................................................189 6-9 قطره تحت ولتاژ نوسانی...................................................................................................................................................................................................197 6-9-1 تغییر شکل پایدار قطره............................................................................................................................................................................................222 6-9-2 تغییر شکل گذرای قطره........................................................................................................................................................................................ 228 6-10 قطره در حال سقوط.........................................................................................................................................................................................................236 6-11 بررسی توزیع حرارت..........................................................................................................................................................................................................253 نتایج:.....................................................................................................................................................................................................................................................266 پیشنهادات:.....................................................................................................................................................................................................................................269 منابع:....................................................................................................................................................................................................................................................270فهرست اشکالعنوان صفحهشکل 1-1- دهیدراتور AC...............................................................................................................................................................................................17 شکل 1-2- نیروهای وارد بر یک قطره در DC.............................................................................................................................................................18 شکل1-3- شماتیک ECOD............................................................................................................................................................................................20 شکل1-4- شماتیک حرکت قطره در چیدمان الکترود نقطهای بر روی تفلون......................................................................................................21 شکل1-5- نمای جانبی حرکت قطره در چیدمان الکترود نقطهای..........................................................................................................................21 شکل1-6- شماتیک برخورد دو قطره ............................................................................................................................................................................22 شکل1-7- ایجاد رشته و شروع ناپایداری در سطح مشترک ....................................................................................................................................23 شکل1-8- فرایند مخلوط شدن دو سیال دی الکتریک..............................................................................................................................................23 شکل 1-9- شماتیک پمپ هدایتی ................................................................................................................................................................................24 شکل 1-10-شماتیک اسپری قطره (با گذشت زمان) ...............................................................................................................................................26 شکل 1-11- جدایش قطره توسط میدان(با گذشت زمان).......................................................................................................................................26 شکل 1-12- نحوه ایجاد جریان برای یک جفت الکترود متقارن.............................................................................................................................27 شکل 1-13- نحوه ایجاد جریان برای شش جفت الکترود متقارن...........................................................................................................................27 شکل 1-14- نحوه ایجاد جریان برای شش جفت الکترود نامتقارن........................................................................................................................28 شکل 1-15- اثر میدان الکتریکی بر فرایند اتمیزه شدن در مقایسه با رویکرد معمول ......................................................................................30 شکل 1-16- اثر میدان الکتریکی بر فرایند اتمیزه شدن در مقایسه با رویکرد معمول ......................................................................................30 شکل 1-17- اثر افزایش دما در غیاب میدان الکتریکی در دمای بترتیب: و323و373و423 کلوین...............................................................30 شکل 1-18- شماتیک تصفیه کننده ها: صفحه تخت موازی و لولهای شکل ......................................................................................................32 شکل 1-19- رفتار حباب در شرایط گرانش ناچیز در میدان الکتریکی یکنواخت................................................................................................33 شکل 1-20- اثر EHDدر شکل گیری جریان پیرامون الکترودها...........................................................................................................................33 شکل 2-1- ایجاد دو قطبی در اتم تحت تاثیر میدان الکتریکی...............................................................................................................................36 شکل 2-2- توزیع بار بر روی ذره و جهت گشتاور دو قطبی ایجاد شده ...............................................................................................................40 شکل 2-3- دو ذره متفاوت در میدان غیر یکنواخت .................................................................................................................................................40 شکل 2-4- حجم کنترل جریان .....................................................................................................................................................................................45 شکل 3-1- توزیع نیروهای الکتریکی بر روی سطح حباب........................................................................................................................................53 شکل 4-1-الف نمایی از setup آزمایش (a) ومختصات (b) و قطر قطره (c)..................................................................................................66 شکل 4-1-ب نمایی از محیط GetData-Graph digitizer (سطر بالا) و ulead video studio (سطر پایین)...................................................68 شکل 4-2- تغییر شکل قطره از نقطه سکون تا آستانه حرکت بر روی الکترود ولتاژ بالا...................................................................................69 شکل 4-3- حرکت ریتمیک قطره با قطر 0.8 تحت ولتاژ 1.7 kv..........................................................................................................................71 شکل 4-4- میزان تغییر شکل قطره با قطر 1.1 تحت ولتاژ 1.9 kv.....................................................................................................................71 شکل 4-5- بررسی قطر قطرات در تماس با الکترود پایین ......................................................................................................................................72 شکل 4-6- بررسی اثر افزایش میدان الکتریکی بر نرخ تغییر شکل........................................................................................................................73 شکل 4-6- بررسی اثر افزایش میدان الکتریکی بر روی شکل قطره در هنگام تماس دو الکترود...................................................................74 شکل 4-7- خارج شدن قطره از حالت کروی در دو حالت سقوط و صعود............................................................................................................75 شکل 4-8- تاثیر افزایش ولتاژ (سطر اول) و افزایش قطر (سطر دوم) بر روی حرکت ریتمیک قطره.............................................................76 شکل 4-9- تاثیر افزایش ولتاژ بر روی سرعت قطره...................................................................................................................................................77 شکل 1n-- لایه ورودی با 5 نرون ، لایه میانی با 6 نرون و لایه خارجی با 3 نرون.............................................................................................78 شکل 2n-- یک نرون از شبکه عصبی............................................................................................................................................................................79 شکل 3 -n-مقایسه بین خروجی شبکه عصبی و داده های موجود.........................................................................................................................82 شکل 4-10- مدل کردن رفتار نوسانی و بدست آوردن ماتریس حاکم بر بار قطره بر حسب قطر قطره .......................................................83 شکل 4-11- تصاویر متوالی از حزکت دو قطره با شعاع 0.875mm و میدان (1.1kv/cm).............................................................................85 شکل 4-12- حرکت طولی و عرضی دو قطره تا آستانه برخورد (3.8kv/cm)......................................................................................................85 شکل 4-13- نیروی جاذبه بین دو قطره، انعقاد و تشکیل قطره واحد در (CaE=0.18)....................................................................................87 شکل 4-14- شماتیک گشتاور ایجاد شده در موقعیت های مختلف .....................................................................................................................88 شکل4-15- حرکت ریتمیک قطره حاصل از انعقاد در (CaE=0.205)....................................................................................................................88شکل4-16- الف: کشیدگی قطره اصلی ، دو تکه شدن قطره ، تشکیل گلویی و تولید قطرات ریز در (CaE=0.216)..................................90 شکل4-16- ب: شماتیک فرایند جدایش و گلویی شدن..........................................................................................................................................91 شکل4-17- فرایند دافعه بین دو قطره با بار مخالف در سه حالت مختلف(CaE=0.226)..................................................................................92 شکل4-18- ایجاد حالت گلویی (CaE=0.26)..............................................................................................................................................................93 شکل4-19- دفع شدن قطرات در تماس با بار مخالف ..............................................................................................................................................93 شکل4-20- ایجاد حالت گلویی در بین دو الکترود(CaE=0.321)...........................................................................................................................94 شکل4-21- جذب دو قطره با بار همنام (CaE=0.334).............................................................................................................................................95 شکل4-22- جذب دو قطره با بار ناهمنام (CaE=0.36).............................................................................................................................................96 شکل4-23- جذب دو قطره با بار ناهمنام (CaE=0.374)..........................................................................................................................................96 شکل4-24- وقوع pinch-off در تماس با الکترودها (CaE=0.388)........................................................................................................................96 شکل4-25- پدیده انعقاد در ولتاژ بالا(نوع سوم) (CaE=0.388)..............................................................................................................................97 شکل 4-26- تجمع قطرات حول یک خط....................................................................................................................................................................98 شکل 4-27-الف اتصال کوتاه و تولید جرقه..................................................................................................................................................................98 شکل4-27- پدیده انعقاد دو قطره- سطر اول (برگرفته از Ref [34]) و سطر دوم کار حاضر...........................................................................................99 شکل4-28- مخروطی شدن نوک قطره در هنگام ترک الکترود ولتاژبالا،راست: Ref[31]، چپ: کار حاضر............................................................99 شکل 4-29 - ایجاد خط زنجیری برای گروهی قطرات در ولتاژ بالا،راست Ref[37]، چپ: کار حاضر................................................................................99 شکل 4-30 - کشیدگی و فشردگی روی سطح الکترود. سطر پایین: Ref[78]،سطر بالا:کار حاضر.............................................................................99 شکل 4-31 - کشیدگی و فشردگی روی سطح الکترود. ستون راست: Ref[79]،ستون چپ:کار حاضر..........................................................................100 شکل 4-32 - از هم گسیختگی (breakup) قطره . سطر بالا: Ref[33] و سطر پایین : کار حاضر........................................................................100 شکل 5-1- ماهیت میکروسکوپیک سیال...................................................................................................................................................................104 شکل 5-2- مدل FHP....................................................................................................................................................................................................105 شکل 5-3- شبکه D2Q9.................................................................................................................................................................................................111 شکل 5-4- مقادیر مجهول (خطوط هاشورخورده) توابع توزیع درون کانال.......................................................................................................113 شکل 5-5- نمایش چگونگی قرارگرفتن مرزهای ورودی و خروجی پریودیک و نمایش شرایط پریودیک در دامنه حل ........................114 شکل 5-6- کمانه کردن روی نقاط مرزی جسم جامد............................................................................................................................................115 شکل 5-7- مقایسه قانون لاپلاس و پروفیل دانسیته بر اساس فاصله شعاعی از مرکز قطره...........................................................................121 شکل 5-8- تغییر شکل قطره از حالت اولیه تا پایداری قطره بر حسب زمانهای اولیه.....................................................................................122 شکل 5-9- مقایسه نتایج عددی و تحلیلی در Cae=0.2 (سطر اول) ، رفتار قطره (سطر دوم) ، انعقاد دوقطره((سطر سوم)..............124 شکل 5-10- تغییر شکل قطره در اعداد کپیلاری مختلف در Eo=11,Oh=0.5...............................................................................................126 شکل 5-11- تغییر شکل قطره در اعداد کپیلاری مختلف در Eo=87,Oh=0.5...............................................................................................127 شکل 5-12- تغییر شکل قطره در اعداد کپیلاری مختلف در Eo=43,Oh=0.2...............................................................................................128 شکل 5-13- تغییر شکل قطره در اعداد کپیلاری مختلف در Eo=43,Oh=1.0...............................................................................................129 شکل 5-14- بررسی سقوط قطره در چیدمان افقی بین دو الکترود....................................................................................................................130 شکل 5-15- محیط اثر گذاری گرهها برای گره مرجع............................................................................................................................................131 شکل 5-16- کانتور پتانسیل الکتریکی، میدان و بردار الکتریکی برای R=1E5 (ردیف اول)و R=1E-5 (ردیف دوم) ، بررسی تعداد گره لازم برای همگرایی و نحوه تولید گره یکنواخت پیرامون قطره ................................................................135 شکل 5-17- بهم خوردن تابع پتانسیل و متمرکز شدن خطوط جریان بین دو قطره در اشکال مختلف بازاء R=1E5............................136 شکل 5-18- تولید گره ها در ساختار بی نظم و مقایسه آنها................................................................................................................................137 شکل 5-19- پتانسیل الکتریکی و میدان الکتریکی برای قطره تغییر شکل یافته (Experimental Data)..................................................138 شکل 5-20- پتانسیل الکتریکی و مش بندی FEM (ستون اول ) ،تولید گرهRBF (ستون دوم )، مقایسه پتانسیل الکتریکی دو روش.....................................................................................................................................................................................................138شکل 5-21- نحوه ایجاد نقاط مربوط به سطح قطره (استخراج شذه از کار Exp) و مش FEM برای داخل و بیرون قطره............140 شکل 5-22-خطوط هم پتانسیل برای قطره تغییر شکل یافته متصل به الکترود ولتاژ بالا (راست) و خطوط میدان الکتریکی (چپ).................................................................................................................................................................................141 شکل 5-23-کانتور تنش برشی (سمت راست) و کانتور میدان الکتریکی جهت عمودی (سمت چپ).....................................................141 شکل 5-24- ولتاژ برای قطره عایق (راست)و ولتاژ برای قطره هادی (چپ)-سطر دوم . خطوط میدان برای قطره عایق (راست)و خطوط میدان برای قطره هادی (چپ)-سطر سوم..................................................................................................................................................................142 شکل 5-25- کانتور تنشهای نرمال در جهت x - کانتور تنشهای نرمال در جهت y- کانتور تنشهای برشی xy (ستون راست-روغن هادی تر از قطره) و (ستون چپ -قطره هادی تر از روغن).....................................................................................................................................143 شکل 6-1- هندسه سیال- ستونی از سیال با شعاع a که توسط سیال دیگر با شعاع b احاطه شده است.................................................145 شکل 6-2- تغییرات فاکتور انسداد نسبت به سایز بی بعد هندسه و نسبت به نسبت هدایت الکتریکی.........................................157 شکل 6-3- خطوط پتانسیل الکتریکی و خطوط میدان الکتریکی برای (شکل چپ) و (شکل وسط) و (سمت راست) بازاء نسبت انسداد ............................................................................................................159 شکل 6-4- تغییرات در جهت شعاعی برای سه سیستم ...................................................................................................................159 شکل 6-5- تغییرات تنشهای برشی و نرمال روی اینترفیس: سطر بالا S>R و سطر پایین S<R.................................................................164 شکل 6-6- خطوط جریان برای حالت R<S(ستون چپ) و R>S ( ستون راست) بازاء سایزهای مختلف...................................................171 شکل 6-7- تغییرات ،،نسبت بهو بازاء سیستمهای مختلف.......................................................................................................173 شکل 6-8- تغییرات F نسبت به ...........................................................................................................................................................................184 شکل 6-9- تغییرات نسبت بر حسب ........................................................................................................................................................184 شکل 6-10- نمودار تعیین نواحی مختلف تغییر شکل و جهت جریان ..............................................................................................................185 شکل 6-11- نمودار تعیین نواحی مختلف تغییر شکل و جهت جریان بازاء پارامترهای مختلف ..................................................................188 شکل 6-12- حالت prolate و oblate........................................................................................................................................................................195 شکل 6-13-بررسی گذرا خطوط جریان از حالت اولیه تا حالت پایدار................................................................................................................195 شکل 6-14- اثر خالص تنش الکتریکی مماسی و نرمال در زمان میانی.............................................................................................................196 شکل 6-15- تغییر شکل قطره، سرعت نرمال و مماسی ناشی از تنشهای نرمال و مماسی در R<S............................................................196 شکل 6-16- تغییر شکل قطره، سرعت نرمال و مماسی ناشی از تنشهای نرمال و مماسی در R>S............................................................197 شکل 6-17- نواحی مختلف مرتبط با تغییر شکل قطره در فرکانس بحرانی......................................................................................................227 شکل 6-18- نحوه تغییر شکل قطره با افزایش فرکانس برای نواحی مختلف .................................................................................................228 شکل 6-19- تابع تغییر شکل کلی بر حسب زمان بازاء ....................................................................................................234 شکل 6-20- میزان تغییر شکل بازاء افزایش میدان الکتریکی در دو حالت فرکانس صفر و 60(سمت چپ) و نسبت تغییر شکل در هر فرکانس به تغییر شکل در فرکانس 60 (سمت راست)............................................................................................................................................235 شکل 6-21- نحوه حرکت سیال اطراف و درون قطره برای سیستم شماره دو بازاء افزایش……………………………..w249 شکل 6-22- نحوه حرکت سیال اطراف و درون قطره برای سیستمشماره سه بازاء افزایش w.....................................................................251 شکل 6-23- تغییر شکل قطره در دو سیستم ، اثر EHD , Falling ..................................................................................................................252 شکل 6-24- مقایسه جواب تحلیلی(سمت راست) و نتایج عددی (سمت چپ) برای حالت سقوط قطره بدون EHD (ستون بالا) و اثر سقوط بهمراه میدان الکتریکی در =0.2CaE............................................................................................................................................................252 شکل 6-25- تعداد لازم جملات سری جهت رسیدن به جواب همگراه شده برای تابع تغییر شکل...........................................................253. شکل 6-1- CVFEM : انواع مختلف تولید مش.......................................................................................................................................................254 شکل6-2- CVFEM : مساحت مورد استفاده در تعییین تابع شکل..................................................................................................................255 شکل6-3- CVFEM : تشکیل حجم کنترل احاطه کننده گره ..........................................................................................................................256 شکل6-4- CVFEM : سطوح اول و دوم المان ......................................................................................................................................................257 شکل 6-26- اعتبار سنجی کد برای بترتیب ................................................................................................................261 شکل 6-27- نحوه توزیع حرارت برای دو حالت خاص- تاثیر عدد پکلت ........................................................................................................262 شکل 6-28- نحوه توزیع حرارت برای نسبت ویسکوز30و w=20 - تاثیر عدد پکلت..................................................................................263 شکل 6-29- نحوه توزیع پخش حرارت در زوایای مختلف-ناثیر عدد پکلت .....................................................................................................264 شکل 6-30- نحوه توزیع حرارت برای Pe=100 (سطر بالا) و Pe=10 (سطر پایین) .....................................................................................265 شکل 6-31- نحوه توزیع پخش حرارت در زوایای مختلف-تاثیر نسبت W در دو عدد پکلت خاص .........................................................265 فهرست جداولعنوان صفحهجدول 4-1 :خواص الکتریکی و سیالاتی آب و روغن ..............................................................................................................................................69 جدول 4-2: خواص الکتریکی و سیالاتی مورد استفاده در آزمایش.........................................................................................................................84 جدول 5-1: توابع وزنی....................................................................................................................................................................................................109 جدول 6-1: خواص الکتریکی و هیدرودینامیکی.......................................................................................................................................................174 جدول 6-2: نسبت خواص الکتریکی و هیدرودینامیکی...........................................................................................................................................174 جدول 6-3: خواص الکتریکی مرتبط با نمودار( 6-18)...........................................................................................................................................227 جدول 6-4: روابط حاصل شده از حل تئوری تا این قسمت از حل......................................................................................................................242 .فهرست علائمنسبت نفوذپذیری الکتریکیدانسیته ماده (kg/m3)تنش الکتریکی و هیدرودینامیکی(pa.s)دانسیته بار الکتریکی-آزاد و مقید (C/m3)تابع جریان (m2.s) داخل و خارج قطرهویسکوزیته دینامیکی( pa.s)سرعت شعاعی و مماسی (m/s)نفوذپذیری الکتریکی ذره وماده(c2/Nm2)نسبت ویسکوزیته سیال داخل به خارجهدایت الکتریکی درون و بیرون قطره (s.c2/m3kg)بار آزاد روی سطح(C)میدان الکتریکی(N/C)Eاختلاف پتانسیل (ولت)Vگشتاور الکتریکی (N.m)ماکزیمم سرعت مماسی(m/s)کشش سطحی(N/m)موبیلیته الکتریکی (mC/sF)عدد باند الکتریکی: نسبت نیروی الکتریکی به کپیلاریBoEدانسیته جریان (A/m2)عدد وبر الکتریکی:نسبت نیروی الکتریکی به کشش سطحیCaEغلضت یونی (C.m-3)Cionنفوذپذیری خلا (F/m)-(C2/N.m2 )فاصله بین دو صفحه خازن(m)dمساحت (m2)Aحساسیت الکتریکیپتانسیل الکتریکی(Nm/C)واحد بار الکترون(C)e,Zeبار الکتریکی (کولن)بردار پلاریزاسیون(Cm-2)Pنفوذپذیری نسبیثابت گذردهی مغناطیسی (T.m.A-1)جابجایی الکتریکی(Cm-2)Dمیدان مغناطیس واحد طول (T.m-1)گشتاور دو قطبی(C.m)Mمیدان مغناطیسی (-Tتسلا)Bنسبت نفوذپذیری الکتریکیموبیلیتی یون (m2V-1s-1)نیروی دی الکتروفورسیس(N)FDEPپتانسیل لایه EDL (V)واحد بار الکتریکی (C)eدانسیته جریان (I.m-2)Jجریان الکتریکی ورودی و خروجی-آمپر (I=C.s-1)iin,ioutضریب ترکیب (m3.t-1.C-1)krضریب جدایش (C.t-1.m-3)kdفاصله شعاعی بین دو قطره (m)doمیزان پلاریزاسیون بازاء واحد حجم (C4/N2m4)تابع توزیع معادل بولتزمنسرعت شبکه بولتزمن در راستایتوابع وزنی در جهات مختلفسرعت صوت در مقیاس لتیزتابع توزیع بعد برخوردویسکوزیته سینماتیک (m2s-1)دما (K)Tگرانش(ms-2)تابع توزیع فشارgنیروی کشش سطحیFsعدد آتووس: نسبت نیروی ویسکوز به کشش سطحیتابع ایندکسعدد آنسرج: نسبت نیروی جاذبه به کشش سطحیتوابع وزنی ومشتق مرتبه n در جهت xنسبت شعاع قطره به شعاع خارجیتوابع وزنی ومشتق مرتبه ئ در جهت yبار الکتریکی آزاد در واحد سطح ( C.m-2)تنش هیدرولیکی مماسی(Pa)رینولدز هیدرولیکی: نسبت نیروی اینرسی به ویسکوزسرعت مقیاس (m.s-1)تانسور کرنشمقیاس زمانی آرامش بار الکتریکی بواسطه خواص الکتریکی به سرعت سیالاپراتور لاپلاسین در مختصات قطبینیروی الکتریکی بازاء واحد حجمFeبردارهای یکه در جهات شعاعی و مماسیبارآزاد درون حجم سیال(C.m-3)qvمیدان الکتریکی در جهت مماسی و شعاعیورتیسیتیسرعت شعاعی درون و بیرون قطرهپتانسیل الکتریکی درون و بیرون قطره در محیط نامحدودسرعت مماسی درون و بیرون قطرهنیروی خالص الکتریکی روی اینترفیس در جهات مماسی و شعاعیضریب تصحیح هیدرولیکی و الکتریکیماکزیمم سرعت مماسی روی اینترفیسکشش سطحی ( N.m-1)برایندکل تنشهای هیدرودینامیکی روی اینترفیسمیزان انحناء سطح قطره (m)kتابع شکل در فرکانس بینهایتسرعت سقوط قطرهufallتابع شکل در فرکانس صفرخطوط مماس بر تابع تغییر شکلمیزان انحراف از حالت کروی در حالت نامحدودتابع شکل (فقط اثر تنشهای مماسی)مقادیر نسبت هدایت که بازاء آنها تابع کروی میماند.تابع شکل (فقط اثر تنشهای نرمال)شعاع داخلی و خارجیa,bنسبت ثابت گذردهی قطره به روغنقسمت حقیقی یک عبارت موهومیRe()فشار داخل و خارج قطره (pa)پتانسیل مستقل از زمان خارج و داخل قطره(ولت)فاز میدان الکتریکی (رادیان)wtمیزان انحراف از حالت کروی در حالت پایدار و گذراثوابت ناشی از حل معادله فشار قطره و روغنفرکانس بحرانیعدد بی بعد پکلت: نسبت پخش حرارت بواسطه سرعت سیال به هدایت سیالPeعدد بی بعد :نسبت سرعت مماسی EHD به سرعت سقوطWسرعت گذرنده از دو سطح یک المانvf1,vf2شار حجمی عبوری از سطوح یک المان (m3.s-1)qf1,qf2ضریب پخش حرارتی دو سطح یک المانKf1,kf2مساحت سطوح نماینده یک المان(m2)Af1,Af2مقدار تابع مستقل برای دو سطح المانضرایب ترم جابجایی و پخش برای یک ند در المانau,akدمای همگن سطح قطره و دمای روغنماکزیمم سرعت مماسی گذراضریب همسایه j ام برای گرهiai,j چکیده در این پژوهش رفتار قطرات تحت میدان الکتریکی DC مورد بررسی قرار گرفته است. با توجه به افزایش رو به رشد این رشته تحقیقاتی، در ابتدا بطور مختصر کاربردهای الکتروهیدرودینامیک در فصل اول شرح داده شده است. لذا فصل اول این تحقیق به ارائه کاربردها اختصاص داده شده است. در فصل دوم مبانی فیزیکی الکتروهیدرودینامیک شرح داده شده تا مقدمهای باشد(هر چند کوتاه) بر روابط استفاده شده در فصول بعدی. در فصل سوم مروری شده است بر کارهای صورت گرفته در زمینه رفتار قطره تحت میدان. در فصل چهارم نتایج آزمایش تجربی آورده شدهاند. در فصل پنجم رفتار قطره بصورت عددی مورد بررسی قرار گرفته است. در انتها در فصل ششم به بررسی نتایج تحلیلی ( اثر میدان الکتریکی بر روی قطرات ) پرداخته شده است. نتایج تجربی نشان میدهد که دو قطره با بار متضاد میتوانند همدیگر را دفع کنند .پراکندگی قطرات در میدان الکتریکی منجر به تشکیل زنجیره قطرات میشود. همچنین انتقال بارهای الکتریکی میتواند بطور یکسان صورت نگیرد و پدیدههای مختلفی را رقم بزند. افزایش میدان الکتریکی برای قطراتی که به شکل رندم پخش شده اند باعث تشکیل زنجیرهای از قطرات میگردد. رفتار نوسانی ، حالت تیلورکن ، اندرکنش دو قطره (انعقاد و جدایش) در این کار نشان داده شده است. نتایج عددی و تحلیلی تغییر شکل قطره را در دو حالت متفاوت (قابلیت پلاریزاسیون) نشان میدهند. در فصل عددی شبیه سازی توسط روش شبکه بولتزمن و در حالت دو فازی صورت گرفته است. حالت های مختلف Breakup به کمک روش عددی بدست میآیند.سه نوع جدایش pinch-off ،shear و back-breakup در حالتهای مختلف دیده شده و همچنین رفتار دو قطره نیز بررسی شده است. در بحث تحلیلی، رفتار قطره در حالت ناپایدار و در دو حالت AC,DC مورد ارزیابی قرارگرفته است. در این اثر علاوه بر رفتار قطره ساکن ، حرکت قطره در میدانهای AC,DC مورد بررسی قرار گرفته است. نتایج تحلیلی فرکانس بحرانی را پیشبینی میکنند که میتواند راستای تغییر شکل قطره را تغییر دهد. همچنین نتایج تحلیلی مطابقت خوبی با نتایج عددی دارند. تمامی نتایج تحلیلی در اعدادکپیلاری الکتریکی کمتر از یک بدست آمده است. اثر میدان الکتریکی بر روی قطره در حال سقوط منجر به تشکیل گردابه هایی در درون و بیرون قطره میشود که پخش حرارت توسط این ورتکسها توسط روش عددی ترکیبی المان و حجم محدود مورد بررسی قرار گرفته است. افزایش عدد پکلت باعث کاهش اثر پخش حرارتی (ترم دیفیوز) شده و نقش جریان سیال در توزیع حرارت بیشتر میگردد. فصل اول: آشنایی باکاربردهای الکتروهیدرودینامیک یک میدان الکتریکی را در داخل سیال در نظر بگیرید.تاثیر متقابل این میدان الکتریکی با جریان سیال را الکترو هیدرودینامیک[1] مینامند.یکی از روشهای ایجاد الکتروهیدرودینامیک،استفاده از جریان یونها است.اگر حرکت یونها را در میدان الکتریکی در نظر بگیریم،این یونها زمانی که از یک الکترود به سمت الکترود دیگر حرکت میکنند،درطولمسیرذرّات سیال را بهمراه خود میکشانند و باعث ایجاد جریان در داخل سیال میشوند.برای تولید این یونها در سیال روشهای مختلفی وجود دارد (از جمله ایجاد میدان متمرکز و شدید الکتریکی در داخل سیال).میتوان گفت این رشته تحقیقاتی با توجه به اندازه یونها در مقیاسهای کوچک پتانسیل کاربردی بیشتری دارد.در مقیاسهای کوچک میتوان میکروپمپ و در سایزهای بزرگ میتوان از مبدلهای حرارتی نام برد.از این رشته میتوان در پالایش هوا،فیلترهای یونی،جداسازی ذرّات معلّق و ... استفاده نمود.این رشته ترکیبی از رشتههای شیمی،فیزیک،مکانیکو الکترومغناطیس میباشد.مثلاً درشیمی،میتوان به بررسی فعل وانفعال یونها در سطح الکترودها پرداخت و یا در الکترومغناطیس بر روی نحوه ایجاد میدان موّثر بر سیال و در مکانیک بر روی جریان و حرکت سیالکارکرد.از جمله کاربردهای این رشته میتوان فرایند نمک زدایی[2] را نام برد.جهت جمع آوری ذرّات نمک در محلول(آب دریا) و رقیق سازی آن سعی میشود تا از بهم پیوستگی[3] قطرات آب ، افزایش حجم و جرم قطرات جهت جداسازی فازها استفاده نمود.برای این کار از میدان الکتریکی استفاده میکنند.دیهیدراتورها[4] بر اساس سه نوع میدان الکترواستاتیک کار میکنند[1]. جریان های DC بسیار کارامد هستند ولی باعث خوردگی الکترودها میشوند.در مواقعی که از نفت خام[5] استفاده میشود باید از منابع تامین ولتاژ قوی تر (میدان های الکتریکی چند فرکانسی) استفاده نمود.روغن خام دارای ویسکوزیته و هدایت الکتریکی بالاست. جریان های DC در روغن های تصفیه شده استفاده میشوند در حالی که جریان AC در اکثر موارد کاربرد دارد.همچنین ترکیب AC/DC هم میتواند به عنوان میدان موثر استفاده شود.جریان AC در دی هیدراتورها جهت ایجاد میدان بین الکترود باردار و الکترود زمین استفاده میشود(شکل 1-1). شکل1-1: دهیدراتور AC-[1]همانطور که نشان داده شده، یک گرادیان AC ضعیف بین الکترود (+) و سطح مشترک روغن و آب و یک گرادیان AC قوی بین الکترود (+) و(-) تشکیل میشود.روغن وارد شده به مخزن که در بالای سطح آب قرار دارد سریع منعقد میشود و سپس شاهد بهم آمیختگی بیشترتوسط میدان AC قوی خواهیم بود و این در حالی است که روغن موجود در بالای الکترود(-) هیچ انعقادی ندارد چون اصولاً میدانی در آن جا وجود ندارد. امروزه از ترکیب AC/DC در فرایند جداسازی استفاده میشود.در این نوع جداسازها ترکیبی از الکترودها بصورت موازی و عمودی و بصورت قطری در سراسر دریچه و کمی بالاتر از خط مرکزی قرار میگیرند.در این وسایل از یک یا سه انتقال دهنده شامل دو قطبیهای معکوس جهت ایجاد میدان DCبین الکترودهای مجاور استفاده میشود. در بررسی نیروهای وارده به قطرهآب،فرض کنید قطرهای در میان دو الکترود قرار دارد.پنج نیرو را برای این قطره میتوان در نظر گرفت.دو نوع از این نیروها وزن و هیدرولیک میباشند.نیروی گرانش که برابر وزن قطرهاست و باعث حرکت به سمت پایین میشود.نیروی درگ که از طرف سیال احاطه کننده قطره (روغن) باعثایجاد (نیروی لیفت) میشود.اگر قطره آب بزرگتر از قطر قطره استوکس[6] باشد،آنگاه وزن بر درگ غلبه کرده و باعث جدایش آب از روغن میگردد. جهت بهبود روند جداسازی قطرات،میدان الکتریکی باید قابلیت ایجاد انعقاد قطرات را بالا برده و از این طریق باعث افزایش قطر قطرات نسبت به قطر استوکس گردد.سه نوع نیروی الکترواستاتیک را برای یک قطره میتوان متصوّر بود.نیروی دو قطبی نیروی بین مولکولهای آب است که متناسب با گرادیان میدان الکتریکی ،قطر قطره و فاصله بین قطرات است. نیرویالکترو فورتیک میتواند جاذب یا دافع باشد.این نیروها در یک میدان ولتاژ یکنواخت و بین قطره باردار و الکترود شکل میگیرند.این نیرو متناسب با قدرت میدان،قطر قطره وهدایت الکتریکی روغن میباشد. نیروهای دی الکتروفورتیک در یک میدان غیر یکنواخت تولید میشوند و نیروهای جاذب میباشند.این نیروها باعث راندن قطره به سمتی میشوند که گرادیان ولتاژ در آن قسمت بیشتر است.این نیرو متناسب با قطر قطره و هدایت الکتریکی آن است.این سه نیرو در اغلب دیسالترها دیده میشوند ولی مقدار این نیروها میتوانند با توجه به تغییر میدان الکتریکی جهت رسیدن به انعقاد و جداسازی بهتر تغییر کنند.هنگامی که قطرات منعقد شوند،فاصله بین آنها بیشتر شده و این باعث کاهش نیروی دو قطبی میگردد.همچنین نیروی الکتروفورتیک مستقل از فاصله قطره میباشد ولی به هدایت الکتریکی و ویسکوزیته روغن وابسته است. نیروی الکتروفورتیک زمان ثابتی دارد متناسب با نسبت ثابت دی الکتریک به هدایت الکتریکی.در روغنهای با هدایت بالا میزان این نیرو شدیداً کاهش مییابد.نیروی دو قطبی بین دو قطره در پایین دیسالترها (جایی که جزء آبی بیشتری وجود دارد،بالاتر استو قطرات در فضای کمتری نسبت به هم قراردارند. نیروهای دی الکتروفورتیک قطرات را بسمت نگهدارندههای الکترود میفرستند و باعث افزایش میزان قطرات و در نتیجه نیروی دو قطبی میشوند. در جریان DC یکنواخت بین دو الکترود،نیروی الکتروفورتیک در جلو و عقب راندن قطره بین دو الکترود موّثر است.هنگامی که قطره بسمت الکترود تحریک شده نزدیک میشود،بار همان الکترود را میگیرد.در این هنگام نیروی الکتروفورتیک قطره را به سمت الکترود با بار مخالف میراند. بنابراین این نیرو باعث ایجاد حرکت و تغییر مکان قطرات بین دو الکترود میشود.در نتیجه این حرکت انعقاد موثر،تولید قطره با سایز بزرگ و جداسازی سریع را میتوان انتظار داشت.شکل1-2: نیروهای وارد بر یک قطره درمیدان –DC[1]در دیسالترها خواص فیزیکی نظیر،ویسکوزیته و دانسیته روغن و آب نیز موثرند.با استفاده از این مقادیر میتوان قطر شناوری را مشخص نمود.تمامی قطرات بزرگتر دارای وزن کافی جهت غلبه بر نیروی ویسکوز خواهند بود و روی سطح مشترک جمع می شوند. ویسکوزیته روغن با دما نسبت معکوس دارد.افزایش دما باعث کاهش ویسکوزیته و در نتیجه نشست قطرات میشود ولی افزایش دما بر روی اختلاف دانسیته نیز تاثیر گذاشته و نرخ جدایش را تحت تاثیر قرار میدهد.بنابر این بالانس بین نرخ روغن،اختلاف دانسیته و ویسکوزیته روغن جهت بهبود عملکرد ضروری به نظر میرسد.این پارامترهای طراحی،متغیرهای اولیه در بررسی عملکرد میباشند.دو پارامتر کلیدی دیگر که بر روی فرایند الکترواستاتیک و کارامدی آن تاثیر میگذارند،کشش سطحی[7] و هدایت الکتریکی روغن میباشند.کشش سطحی بالا انعقاد قطره را مشکل میکند در حالی که کشش سطحی پایین ،فرآیند انعقاد را آسانتر میکند ولی باعث می شود قطره منعقد شده راحت تر گسسته گردد و باعث ناپایداری آن میشود.بار قطره بالا و یا افزودنیهای شیمیایی[8]،باعث کاهش کشش سطحی و افزایش نرخ گسستگی[9] میشوند.هدایت الکتریکی قطره نتیجه وجود مواد آلی و غیر آلی دارای قطب مغناطیسی و یا الکتریکی،ذرّات آب،ذرّاتجامدهادیمیباشد.هر چه هدایت الکتریکی روغن بالا باشد،تاثیر معکوس بر روند نیروی الکترواستاتیک خواهد داشت.همانطور که نشان داده شده قطرات کوچکتر احتیاج به ولتاژ بالا جهت غلبه بر کشش سطحی دارند.اما اگر ولتاژ خیلی بالا باشد گسیختگی قطره را بدنبال دارد. دو ولتاژ جهت انجام کامل فرایند آب زدایی در نظر گرفته میشود.اولین ولتاژ،ولتاژ آستانهای است.میدانی را در نظر بگیرید که در آن ولتاژ به آرامی افزایش مییابد.در یک ولتاژ خاص جریان به شدّت افزایش مییابد و این نشان دهنده شارژشدن الکتریکی آب است. به محض شارژ شدن نمودار نزول مییابد که نشان از انعقاد قطره آب دارد.برای روغن خالص،چنین افزایش جریانی وجود ندارد و در واقع شیب جریان نسبت به ولتاژ ثابت و برابر هدایت الکتریکی روغن است. هنگامی که محدوده کاربرد ولتاژ زیر محدوده آستانهای است انرژی الکترواستاتیک کافی جهت انعقاد اولیه وجود ندارد.در ولتاژهای نزدیک به ولتاژ آستانهای قطر قطرات ماکزیمم میشوند.در ولتاژ کمتر از ولتاژ آستانهای ،قطرات با قطر کمتر دارای انرژی لازم نیستند و پدیده جدایش آب و نمک به خوبی صورت نمی گیرد.برای آب زدایی کامل ،تمامی آب موجود باید به قطرات با قطر بزرگتر از استوکس منعقد شوند تا از روغنی که به سمت بالا حرکت میکند جدا شوند.انعقاد قطرات کوچکتر احتیاج به میدان قوی تر جهت ایجاد نیروی الکترواستاتیک لازم دارد.اما افزایش ولتاژ باعث افزایش نیروی الکترواستاتیک در قطرات بزرگتر هم میشودکه گسیختگی را به همراه دارد. بنابراین ولتاژ به کار گرفته شده نباید از ولتاژ شکست بیشتر شود.به این ولتاژ،ولتاژ بحرانی گویند. افزایش ولتاژ بعد از این مرحله، باعث تشکیل قطرات کوچکتر و در نتیجه کاهش عملکرد آب زدایی خواهد گردید.
مطالعه تجربی دینامیک رفتار قطره در حضور میدان الکتریکی ولتاژ بالا Experimental Study of the Droplet Dynamic Behavior under High Voltage Electric Fiel
فهرست مطالبعنوان: صفحهفصل اول:آشنایی با کاربردهای الکتروهیدرودینامیک..........15 فصل دوم: پایه های نظری الکتروهیدرودینامیک.......34 2-1 مقدمه............35 2-2 بار الکتریکی........35 2-3 گشتاور دو قطبی......35 2-4 پلاریزاسیون......36 2-4-1 انواع پلاریزاسیون........38 2-5 الکتروفورسیس و دی الکترو فورسیس.......39 2-6 سیالات قطبی و غیر قطبی......41 2-7 فرایند تولید بار در سیال دی الکتریک......41 2-7-1 علل داخلی تولید بار.........41 2-7-2 علل خارجی تولید بار.......42 2-8 موبیلیته....................................................................................................................................................................................................................................43 2-9 جریان های الکتریکی در سیالات دی الکتریک...............................................................................................................................................................45 2-9-1اصل بقاء بار.............................................................................................................................................................................................................................45 2-9-2جریان الکتریکی در سیالات غیر قطبی............................................................................................................................................................................45 2-10 معادلات ماکسول...................................................................................................................................................................................................................48 فصل سوم:پیشینه پژوهش..........................................................................................................................................................................................................50 فصل چهارم:نتایج تجربی............................................................................................................................................................................................................654-1 رفتار تک قطره ..................................................................................................................................................................................................................... 66 4-2 اجزاء شبکه عصبی ...............................................................................................................................................................................................................78 4-3 رفتار دو قطره ........................................................................................................................................................................................................................84 4-4 گسیختگی، جاذبه و دافعه قطرات ....................................................................................................................................................................................90 4-5 اتصال کوتاه ............................................................................................................................................................................................................................98 فصل پنجم:نتایج عددی..........................................................................................................................................................................................................1015-1 روش مبنا ذره ای...............................................................................................................................................................................................................103 5-1-1روش شبکه گاز...................................................................................................................................................................................................................105 5-1-2روش شبکه بولتزمن...........................................................................................................................................................................................................106 5-1-3 تابع تعادلی گسسته شده.....................................................................................................................................................................................108 5-1-4 گسسته کردن فضای فاز......................................................................................................................................................................................108 5-1-5 فرم گسسته معادله بولتزمن................................................................................................................................................................................110 5-1-6 ارتباط با معادله ناویر استوکس..........................................................................................................................................................................111 5-1-7 الگوریتم حل...........................................................................................................................................................................................................112 5-1-8 شرایط مرزی در شبکه بولتزمن.........................................................................................................................................................................112 5-1-9 مدلسازی جریان چند فازی............................................................................................................................................................................... 116 5-1-10 مدلسازی ترم EHD.............................................................................................................................................................................................118 5-1-11 اعتبار سنجی و نتایج............................................................................................................................................................................................121 5-2 روش بدون شبکه................................................................................................................................................................................................................130 5-2-1 نتایج روش بدون شبکه...............................................................................................................................................................................................134فصل ششم:نتایج تحلیلی...........................................................................................................................................................................................................1446-1 معادلات حاکم.....................................................................................................................................................................................................................146 6-1-1 معادلات میدان الکتریکی.............................................................................................................................................................................................151 6-1-2 معادلات خطوط جریان ............................................................................................................................................................................................1516-2 حل معادله پتانسیل الکتریکی.........................................................................................................................................................................................153 6-3 بارهای سطحی الکتریکی..................................................................................................................................................................................................160 6-4 ناپیوستگی تنشهای الکتریکی..........................................................................................................................................................................................161 6-5 محاسبه جریان سیال و تنشهای هیدرودینامیکی........................................................................................................................................................164 6-6 محاسبه فشار هیدرودینامیکی.........................................................................................................................................................................................179 6-7 محاسبه تغییر شکل سطح قطره.....................................................................................................................................................................................182 6-8 تغییر شکل گذرای سطح قطره........................................................................................................................................................................................189 6-9 قطره تحت ولتاژ نوسانی...................................................................................................................................................................................................197 6-9-1 تغییر شکل پایدار قطره............................................................................................................................................................................................222 6-9-2 تغییر شکل گذرای قطره........................................................................................................................................................................................ 228 6-10 قطره در حال سقوط.........................................................................................................................................................................................................236 6-11 بررسی توزیع حرارت..........................................................................................................................................................................................................253 نتایج:.....................................................................................................................................................................................................................................................266 پیشنهادات:.....................................................................................................................................................................................................................................269 منابع:....................................................................................................................................................................................................................................................270فهرست اشکالعنوان صفحهشکل 1-1- دهیدراتور AC...............................................................................................................................................................................................17 شکل 1-2- نیروهای وارد بر یک قطره در DC.............................................................................................................................................................18 شکل1-3- شماتیک ECOD............................................................................................................................................................................................20 شکل1-4- شماتیک حرکت قطره در چیدمان الکترود نقطهای بر روی تفلون......................................................................................................21 شکل1-5- نمای جانبی حرکت قطره در چیدمان الکترود نقطهای..........................................................................................................................21 شکل1-6- شماتیک برخورد دو قطره ............................................................................................................................................................................22 شکل1-7- ایجاد رشته و شروع ناپایداری در سطح مشترک ....................................................................................................................................23 شکل1-8- فرایند مخلوط شدن دو سیال دی الکتریک..............................................................................................................................................23 شکل 1-9- شماتیک پمپ هدایتی ................................................................................................................................................................................24 شکل 1-10-شماتیک اسپری قطره (با گذشت زمان) ...............................................................................................................................................26 شکل 1-11- جدایش قطره توسط میدان(با گذشت زمان).......................................................................................................................................26 شکل 1-12- نحوه ایجاد جریان برای یک جفت الکترود متقارن.............................................................................................................................27 شکل 1-13- نحوه ایجاد جریان برای شش جفت الکترود متقارن...........................................................................................................................27 شکل 1-14- نحوه ایجاد جریان برای شش جفت الکترود نامتقارن........................................................................................................................28 شکل 1-15- اثر میدان الکتریکی بر فرایند اتمیزه شدن در مقایسه با رویکرد معمول ......................................................................................30 شکل 1-16- اثر میدان الکتریکی بر فرایند اتمیزه شدن در مقایسه با رویکرد معمول ......................................................................................30 شکل 1-17- اثر افزایش دما در غیاب میدان الکتریکی در دمای بترتیب: و323و373و423 کلوین...............................................................30 شکل 1-18- شماتیک تصفیه کننده ها: صفحه تخت موازی و لولهای شکل ......................................................................................................32 شکل 1-19- رفتار حباب در شرایط گرانش ناچیز در میدان الکتریکی یکنواخت................................................................................................33 شکل 1-20- اثر EHDدر شکل گیری جریان پیرامون الکترودها...........................................................................................................................33 شکل 2-1- ایجاد دو قطبی در اتم تحت تاثیر میدان الکتریکی...............................................................................................................................36 شکل 2-2- توزیع بار بر روی ذره و جهت گشتاور دو قطبی ایجاد شده ...............................................................................................................40 شکل 2-3- دو ذره متفاوت در میدان غیر یکنواخت .................................................................................................................................................40 شکل 2-4- حجم کنترل جریان .....................................................................................................................................................................................45 شکل 3-1- توزیع نیروهای الکتریکی بر روی سطح حباب........................................................................................................................................53 شکل 4-1-الف نمایی از setup آزمایش (a) ومختصات (b) و قطر قطره (c)..................................................................................................66 شکل 4-1-ب نمایی از محیط GetData-Graph digitizer (سطر بالا) و ulead video studio (سطر پایین)...................................................68 شکل 4-2- تغییر شکل قطره از نقطه سکون تا آستانه حرکت بر روی الکترود ولتاژ بالا...................................................................................69 شکل 4-3- حرکت ریتمیک قطره با قطر 0.8 تحت ولتاژ 1.7 kv..........................................................................................................................71 شکل 4-4- میزان تغییر شکل قطره با قطر 1.1 تحت ولتاژ 1.9 kv.....................................................................................................................71 شکل 4-5- بررسی قطر قطرات در تماس با الکترود پایین ......................................................................................................................................72 شکل 4-6- بررسی اثر افزایش میدان الکتریکی بر نرخ تغییر شکل........................................................................................................................73 شکل 4-6- بررسی اثر افزایش میدان الکتریکی بر روی شکل قطره در هنگام تماس دو الکترود...................................................................74 شکل 4-7- خارج شدن قطره از حالت کروی در دو حالت سقوط و صعود............................................................................................................75 شکل 4-8- تاثیر افزایش ولتاژ (سطر اول) و افزایش قطر (سطر دوم) بر روی حرکت ریتمیک قطره.............................................................76 شکل 4-9- تاثیر افزایش ولتاژ بر روی سرعت قطره...................................................................................................................................................77 شکل 1n-- لایه ورودی با 5 نرون ، لایه میانی با 6 نرون و لایه خارجی با 3 نرون.............................................................................................78 شکل 2n-- یک نرون از شبکه عصبی............................................................................................................................................................................79 شکل 3 -n-مقایسه بین خروجی شبکه عصبی و داده های موجود.........................................................................................................................82 شکل 4-10- مدل کردن رفتار نوسانی و بدست آوردن ماتریس حاکم بر بار قطره بر حسب قطر قطره .......................................................83 شکل 4-11- تصاویر متوالی از حزکت دو قطره با شعاع 0.875mm و میدان (1.1kv/cm).............................................................................85 شکل 4-12- حرکت طولی و عرضی دو قطره تا آستانه برخورد (3.8kv/cm)......................................................................................................85 شکل 4-13- نیروی جاذبه بین دو قطره، انعقاد و تشکیل قطره واحد در (CaE=0.18)....................................................................................87 شکل 4-14- شماتیک گشتاور ایجاد شده در موقعیت های مختلف .....................................................................................................................88 شکل4-15- حرکت ریتمیک قطره حاصل از انعقاد در (CaE=0.205)....................................................................................................................88شکل4-16- الف: کشیدگی قطره اصلی ، دو تکه شدن قطره ، تشکیل گلویی و تولید قطرات ریز در (CaE=0.216)..................................90 شکل4-16- ب: شماتیک فرایند جدایش و گلویی شدن..........................................................................................................................................91 شکل4-17- فرایند دافعه بین دو قطره با بار مخالف در سه حالت مختلف(CaE=0.226)..................................................................................92 شکل4-18- ایجاد حالت گلویی (CaE=0.26)..............................................................................................................................................................93 شکل4-19- دفع شدن قطرات در تماس با بار مخالف ..............................................................................................................................................93 شکل4-20- ایجاد حالت گلویی در بین دو الکترود(CaE=0.321)...........................................................................................................................94 شکل4-21- جذب دو قطره با بار همنام (CaE=0.334).............................................................................................................................................95 شکل4-22- جذب دو قطره با بار ناهمنام (CaE=0.36).............................................................................................................................................96 شکل4-23- جذب دو قطره با بار ناهمنام (CaE=0.374)..........................................................................................................................................96 شکل4-24- وقوع pinch-off در تماس با الکترودها (CaE=0.388)........................................................................................................................96 شکل4-25- پدیده انعقاد در ولتاژ بالا(نوع سوم) (CaE=0.388)..............................................................................................................................97 شکل 4-26- تجمع قطرات حول یک خط....................................................................................................................................................................98 شکل 4-27-الف اتصال کوتاه و تولید جرقه..................................................................................................................................................................98 شکل4-27- پدیده انعقاد دو قطره- سطر اول (برگرفته از Ref [34]) و سطر دوم کار حاضر...........................................................................................99 شکل4-28- مخروطی شدن نوک قطره در هنگام ترک الکترود ولتاژبالا،راست: Ref[31]، چپ: کار حاضر............................................................99 شکل 4-29 - ایجاد خط زنجیری برای گروهی قطرات در ولتاژ بالا،راست Ref[37]، چپ: کار حاضر................................................................................99 شکل 4-30 - کشیدگی و فشردگی روی سطح الکترود. سطر پایین: Ref[78]،سطر بالا:کار حاضر.............................................................................99 شکل 4-31 - کشیدگی و فشردگی روی سطح الکترود. ستون راست: Ref[79]،ستون چپ:کار حاضر..........................................................................100 شکل 4-32 - از هم گسیختگی (breakup) قطره . سطر بالا: Ref[33] و سطر پایین : کار حاضر........................................................................100 شکل 5-1- ماهیت میکروسکوپیک سیال...................................................................................................................................................................104 شکل 5-2- مدل FHP....................................................................................................................................................................................................105 شکل 5-3- شبکه D2Q9.................................................................................................................................................................................................111 شکل 5-4- مقادیر مجهول (خطوط هاشورخورده) توابع توزیع درون کانال.......................................................................................................113 شکل 5-5- نمایش چگونگی قرارگرفتن مرزهای ورودی و خروجی پریودیک و نمایش شرایط پریودیک در دامنه حل ........................114 شکل 5-6- کمانه کردن روی نقاط مرزی جسم جامد............................................................................................................................................115 شکل 5-7- مقایسه قانون لاپلاس و پروفیل دانسیته بر اساس فاصله شعاعی از مرکز قطره...........................................................................121 شکل 5-8- تغییر شکل قطره از حالت اولیه تا پایداری قطره بر حسب زمانهای اولیه.....................................................................................122 شکل 5-9- مقایسه نتایج عددی و تحلیلی در Cae=0.2 (سطر اول) ، رفتار قطره (سطر دوم) ، انعقاد دوقطره((سطر سوم)..............124 شکل 5-10- تغییر شکل قطره در اعداد کپیلاری مختلف در Eo=11,Oh=0.5...............................................................................................126 شکل 5-11- تغییر شکل قطره در اعداد کپیلاری مختلف در Eo=87,Oh=0.5...............................................................................................127 شکل 5-12- تغییر شکل قطره در اعداد کپیلاری مختلف در Eo=43,Oh=0.2...............................................................................................128 شکل 5-13- تغییر شکل قطره در اعداد کپیلاری مختلف در Eo=43,Oh=1.0...............................................................................................129 شکل 5-14- بررسی سقوط قطره در چیدمان افقی بین دو الکترود....................................................................................................................130 شکل 5-15- محیط اثر گذاری گرهها برای گره مرجع............................................................................................................................................131 شکل 5-16- کانتور پتانسیل الکتریکی، میدان و بردار الکتریکی برای R=1E5 (ردیف اول)و R=1E-5 (ردیف دوم) ، بررسی تعداد گره لازم برای همگرایی و نحوه تولید گره یکنواخت پیرامون قطره ................................................................135 شکل 5-17- بهم خوردن تابع پتانسیل و متمرکز شدن خطوط جریان بین دو قطره در اشکال مختلف بازاء R=1E5............................136 شکل 5-18- تولید گره ها در ساختار بی نظم و مقایسه آنها................................................................................................................................137 شکل 5-19- پتانسیل الکتریکی و میدان الکتریکی برای قطره تغییر شکل یافته (Experimental Data)..................................................138 شکل 5-20- پتانسیل الکتریکی و مش بندی FEM (ستون اول ) ،تولید گرهRBF (ستون دوم )، مقایسه پتانسیل الکتریکی دو روش.....................................................................................................................................................................................................138شکل 5-21- نحوه ایجاد نقاط مربوط به سطح قطره (استخراج شذه از کار Exp) و مش FEM برای داخل و بیرون قطره............140 شکل 5-22-خطوط هم پتانسیل برای قطره تغییر شکل یافته متصل به الکترود ولتاژ بالا (راست) و خطوط میدان الکتریکی (چپ).................................................................................................................................................................................141 شکل 5-23-کانتور تنش برشی (سمت راست) و کانتور میدان الکتریکی جهت عمودی (سمت چپ).....................................................141 شکل 5-24- ولتاژ برای قطره عایق (راست)و ولتاژ برای قطره هادی (چپ)-سطر دوم . خطوط میدان برای قطره عایق (راست)و خطوط میدان برای قطره هادی (چپ)-سطر سوم..................................................................................................................................................................142 شکل 5-25- کانتور تنشهای نرمال در جهت x - کانتور تنشهای نرمال در جهت y- کانتور تنشهای برشی xy (ستون راست-روغن هادی تر از قطره) و (ستون چپ -قطره هادی تر از روغن).....................................................................................................................................143 شکل 6-1- هندسه سیال- ستونی از سیال با شعاع a که توسط سیال دیگر با شعاع b احاطه شده است.................................................145 شکل 6-2- تغییرات فاکتور انسداد نسبت به سایز بی بعد هندسه و نسبت به نسبت هدایت الکتریکی.........................................157 شکل 6-3- خطوط پتانسیل الکتریکی و خطوط میدان الکتریکی برای (شکل چپ) و (شکل وسط) و (سمت راست) بازاء نسبت انسداد ............................................................................................................159 شکل 6-4- تغییرات در جهت شعاعی برای سه سیستم ...................................................................................................................159 شکل 6-5- تغییرات تنشهای برشی و نرمال روی اینترفیس: سطر بالا S>R و سطر پایین S<R.................................................................164 شکل 6-6- خطوط جریان برای حالت R<S(ستون چپ) و R>S ( ستون راست) بازاء سایزهای مختلف...................................................171 شکل 6-7- تغییرات ،،نسبت بهو بازاء سیستمهای مختلف.......................................................................................................173 شکل 6-8- تغییرات F نسبت به ...........................................................................................................................................................................184 شکل 6-9- تغییرات نسبت بر حسب ........................................................................................................................................................184 شکل 6-10- نمودار تعیین نواحی مختلف تغییر شکل و جهت جریان ..............................................................................................................185 شکل 6-11- نمودار تعیین نواحی مختلف تغییر شکل و جهت جریان بازاء پارامترهای مختلف ..................................................................188 شکل 6-12- حالت prolate و oblate........................................................................................................................................................................195 شکل 6-13-بررسی گذرا خطوط جریان از حالت اولیه تا حالت پایدار................................................................................................................195 شکل 6-14- اثر خالص تنش الکتریکی مماسی و نرمال در زمان میانی.............................................................................................................196 شکل 6-15- تغییر شکل قطره، سرعت نرمال و مماسی ناشی از تنشهای نرمال و مماسی در R<S............................................................196 شکل 6-16- تغییر شکل قطره، سرعت نرمال و مماسی ناشی از تنشهای نرمال و مماسی در R>S............................................................197 شکل 6-17- نواحی مختلف مرتبط با تغییر شکل قطره در فرکانس بحرانی......................................................................................................227 شکل 6-18- نحوه تغییر شکل قطره با افزایش فرکانس برای نواحی مختلف .................................................................................................228 شکل 6-19- تابع تغییر شکل کلی بر حسب زمان بازاء ....................................................................................................234 شکل 6-20- میزان تغییر شکل بازاء افزایش میدان الکتریکی در دو حالت فرکانس صفر و 60(سمت چپ) و نسبت تغییر شکل در هر فرکانس به تغییر شکل در فرکانس 60 (سمت راست)............................................................................................................................................235 شکل 6-21- نحوه حرکت سیال اطراف و درون قطره برای سیستم شماره دو بازاء افزایش……………………………..w249 شکل 6-22- نحوه حرکت سیال اطراف و درون قطره برای سیستمشماره سه بازاء افزایش w.....................................................................251 شکل 6-23- تغییر شکل قطره در دو سیستم ، اثر EHD , Falling ..................................................................................................................252 شکل 6-24- مقایسه جواب تحلیلی(سمت راست) و نتایج عددی (سمت چپ) برای حالت سقوط قطره بدون EHD (ستون بالا) و اثر سقوط بهمراه میدان الکتریکی در =0.2CaE............................................................................................................................................................252 شکل 6-25- تعداد لازم جملات سری جهت رسیدن به جواب همگراه شده برای تابع تغییر شکل...........................................................253. شکل 6-1- CVFEM : انواع مختلف تولید مش.......................................................................................................................................................254 شکل6-2- CVFEM : مساحت مورد استفاده در تعییین تابع شکل..................................................................................................................255 شکل6-3- CVFEM : تشکیل حجم کنترل احاطه کننده گره ..........................................................................................................................256 شکل6-4- CVFEM : سطوح اول و دوم المان ......................................................................................................................................................257 شکل 6-26- اعتبار سنجی کد برای بترتیب ................................................................................................................261 شکل 6-27- نحوه توزیع حرارت برای دو حالت خاص- تاثیر عدد پکلت ........................................................................................................262 شکل 6-28- نحوه توزیع حرارت برای نسبت ویسکوز30و w=20 - تاثیر عدد پکلت..................................................................................263 شکل 6-29- نحوه توزیع پخش حرارت در زوایای مختلف-ناثیر عدد پکلت .....................................................................................................264 شکل 6-30- نحوه توزیع حرارت برای Pe=100 (سطر بالا) و Pe=10 (سطر پایین) .....................................................................................265 شکل 6-31- نحوه توزیع پخش حرارت در زوایای مختلف-تاثیر نسبت W در دو عدد پکلت خاص .........................................................265 فهرست جداولعنوان صفحهجدول 4-1 :خواص الکتریکی و سیالاتی آب و روغن ..............................................................................................................................................69 جدول 4-2: خواص الکتریکی و سیالاتی مورد استفاده در آزمایش.........................................................................................................................84 جدول 5-1: توابع وزنی....................................................................................................................................................................................................109 جدول 6-1: خواص الکتریکی و هیدرودینامیکی.......................................................................................................................................................174 جدول 6-2: نسبت خواص الکتریکی و هیدرودینامیکی...........................................................................................................................................174 جدول 6-3: خواص الکتریکی مرتبط با نمودار( 6-18)...........................................................................................................................................227 جدول 6-4: روابط حاصل شده از حل تئوری تا این قسمت از حل......................................................................................................................242 .فهرست علائمنسبت نفوذپذیری الکتریکیدانسیته ماده (kg/m3)تنش الکتریکی و هیدرودینامیکی(pa.s)دانسیته بار الکتریکی-آزاد و مقید (C/m3)تابع جریان (m2.s) داخل و خارج قطرهویسکوزیته دینامیکی( pa.s)سرعت شعاعی و مماسی (m/s)نفوذپذیری الکتریکی ذره وماده(c2/Nm2)نسبت ویسکوزیته سیال داخل به خارجهدایت الکتریکی درون و بیرون قطره (s.c2/m3kg)بار آزاد روی سطح(C)میدان الکتریکی(N/C)Eاختلاف پتانسیل (ولت)Vگشتاور الکتریکی (N.m)ماکزیمم سرعت مماسی(m/s)کشش سطحی(N/m)موبیلیته الکتریکی (mC/sF)عدد باند الکتریکی: نسبت نیروی الکتریکی به کپیلاریBoEدانسیته جریان (A/m2)عدد وبر الکتریکی:نسبت نیروی الکتریکی به کشش سطحیCaEغلضت یونی (C.m-3)Cionنفوذپذیری خلا (F/m)-(C2/N.m2 )فاصله بین دو صفحه خازن(m)dمساحت (m2)Aحساسیت الکتریکیپتانسیل الکتریکی(Nm/C)واحد بار الکترون(C)e,Zeبار الکتریکی (کولن)بردار پلاریزاسیون(Cm-2)Pنفوذپذیری نسبیثابت گذردهی مغناطیسی (T.m.A-1)جابجایی الکتریکی(Cm-2)Dمیدان مغناطیس واحد طول (T.m-1)گشتاور دو قطبی(C.m)Mمیدان مغناطیسی (-Tتسلا)Bنسبت نفوذپذیری الکتریکیموبیلیتی یون (m2V-1s-1)نیروی دی الکتروفورسیس(N)FDEPپتانسیل لایه EDL (V)واحد بار الکتریکی (C)eدانسیته جریان (I.m-2)Jجریان الکتریکی ورودی و خروجی-آمپر (I=C.s-1)iin,ioutضریب ترکیب (m3.t-1.C-1)krضریب جدایش (C.t-1.m-3)kdفاصله شعاعی بین دو قطره (m)doمیزان پلاریزاسیون بازاء واحد حجم (C4/N2m4)تابع توزیع معادل بولتزمنسرعت شبکه بولتزمن در راستایتوابع وزنی در جهات مختلفسرعت صوت در مقیاس لتیزتابع توزیع بعد برخوردویسکوزیته سینماتیک (m2s-1)دما (K)Tگرانش(ms-2)تابع توزیع فشارgنیروی کشش سطحیFsعدد آتووس: نسبت نیروی ویسکوز به کشش سطحیتابع ایندکسعدد آنسرج: نسبت نیروی جاذبه به کشش سطحیتوابع وزنی ومشتق مرتبه n در جهت xنسبت شعاع قطره به شعاع خارجیتوابع وزنی ومشتق مرتبه ئ در جهت yبار الکتریکی آزاد در واحد سطح ( C.m-2)تنش هیدرولیکی مماسی(Pa)رینولدز هیدرولیکی: نسبت نیروی اینرسی به ویسکوزسرعت مقیاس (m.s-1)تانسور کرنشمقیاس زمانی آرامش بار الکتریکی بواسطه خواص الکتریکی به سرعت سیالاپراتور لاپلاسین در مختصات قطبینیروی الکتریکی بازاء واحد حجمFeبردارهای یکه در جهات شعاعی و مماسیبارآزاد درون حجم سیال(C.m-3)qvمیدان الکتریکی در جهت مماسی و شعاعیورتیسیتیسرعت شعاعی درون و بیرون قطرهپتانسیل الکتریکی درون و بیرون قطره در محیط نامحدودسرعت مماسی درون و بیرون قطرهنیروی خالص الکتریکی روی اینترفیس در جهات مماسی و شعاعیضریب تصحیح هیدرولیکی و الکتریکیماکزیمم سرعت مماسی روی اینترفیسکشش سطحی ( N.m-1)برایندکل تنشهای هیدرودینامیکی روی اینترفیسمیزان انحناء سطح قطره (m)kتابع شکل در فرکانس بینهایتسرعت سقوط قطرهufallتابع شکل در فرکانس صفرخطوط مماس بر تابع تغییر شکلمیزان انحراف از حالت کروی در حالت نامحدودتابع شکل (فقط اثر تنشهای مماسی)مقادیر نسبت هدایت که بازاء آنها تابع کروی میماند.تابع شکل (فقط اثر تنشهای نرمال)شعاع داخلی و خارجیa,bنسبت ثابت گذردهی قطره به روغنقسمت حقیقی یک عبارت موهومیRe()فشار داخل و خارج قطره (pa)پتانسیل مستقل از زمان خارج و داخل قطره(ولت)فاز میدان الکتریکی (رادیان)wtمیزان انحراف از حالت کروی در حالت پایدار و گذراثوابت ناشی از حل معادله فشار قطره و روغنفرکانس بحرانیعدد بی بعد پکلت: نسبت پخش حرارت بواسطه سرعت سیال به هدایت سیالPeعدد بی بعد :نسبت سرعت مماسی EHD به سرعت سقوطWسرعت گذرنده از دو سطح یک المانvf1,vf2شار حجمی عبوری از سطوح یک المان (m3.s-1)qf1,qf2ضریب پخش حرارتی دو سطح یک المانKf1,kf2مساحت سطوح نماینده یک المان(m2)Af1,Af2مقدار تابع مستقل برای دو سطح المانضرایب ترم جابجایی و پخش برای یک ند در المانau,akدمای همگن سطح قطره و دمای روغنماکزیمم سرعت مماسی گذراضریب همسایه j ام برای گرهiai,j چکیده در این پژوهش رفتار قطرات تحت میدان الکتریکی DC مورد بررسی قرار گرفته است. با توجه به افزایش رو به رشد این رشته تحقیقاتی، در ابتدا بطور مختصر کاربردهای الکتروهیدرودینامیک در فصل اول شرح داده شده است. لذا فصل اول این تحقیق به ارائه کاربردها اختصاص داده شده است. در فصل دوم مبانی فیزیکی الکتروهیدرودینامیک شرح داده شده تا مقدمهای باشد(هر چند کوتاه) بر روابط استفاده شده در فصول بعدی. در فصل سوم مروری شده است بر کارهای صورت گرفته در زمینه رفتار قطره تحت میدان. در فصل چهارم نتایج آزمایش تجربی آورده شدهاند. در فصل پنجم رفتار قطره بصورت عددی مورد بررسی قرار گرفته است. در انتها در فصل ششم به بررسی نتایج تحلیلی ( اثر میدان الکتریکی بر روی قطرات ) پرداخته شده است. نتایج تجربی نشان میدهد که دو قطره با بار متضاد میتوانند همدیگر را دفع کنند .پراکندگی قطرات در میدان الکتریکی منجر به تشکیل زنجیره قطرات میشود. همچنین انتقال بارهای الکتریکی میتواند بطور یکسان صورت نگیرد و پدیدههای مختلفی را رقم بزند. افزایش میدان الکتریکی برای قطراتی که به شکل رندم پخش شده اند باعث تشکیل زنجیرهای از قطرات میگردد. رفتار نوسانی ، حالت تیلورکن ، اندرکنش دو قطره (انعقاد و جدایش) در این کار نشان داده شده است. نتایج عددی و تحلیلی تغییر شکل قطره را در دو حالت متفاوت (قابلیت پلاریزاسیون) نشان میدهند. در فصل عددی شبیه سازی توسط روش شبکه بولتزمن و در حالت دو فازی صورت گرفته است. حالت های مختلف Breakup به کمک روش عددی بدست میآیند.سه نوع جدایش pinch-off ،shear و back-breakup در حالتهای مختلف دیده شده و همچنین رفتار دو قطره نیز بررسی شده است. در بحث تحلیلی، رفتار قطره در حالت ناپایدار و در دو حالت AC,DC مورد ارزیابی قرارگرفته است. در این اثر علاوه بر رفتار قطره ساکن ، حرکت قطره در میدانهای AC,DC مورد بررسی قرار گرفته است. نتایج تحلیلی فرکانس بحرانی را پیشبینی میکنند که میتواند راستای تغییر شکل قطره را تغییر دهد. همچنین نتایج تحلیلی مطابقت خوبی با نتایج عددی دارند. تمامی نتایج تحلیلی در اعدادکپیلاری الکتریکی کمتر از یک بدست آمده است. اثر میدان الکتریکی بر روی قطره در حال سقوط منجر به تشکیل گردابه هایی در درون و بیرون قطره میشود که پخش حرارت توسط این ورتکسها توسط روش عددی ترکیبی المان و حجم محدود مورد بررسی قرار گرفته است. افزایش عدد پکلت باعث کاهش اثر پخش حرارتی (ترم دیفیوز) شده و نقش جریان سیال در توزیع حرارت بیشتر میگردد. فصل اول: آشنایی باکاربردهای الکتروهیدرودینامیک یک میدان الکتریکی را در داخل سیال در نظر بگیرید.تاثیر متقابل این میدان الکتریکی با جریان سیال را الکترو هیدرودینامیک[1] مینامند.یکی از روشهای ایجاد الکتروهیدرودینامیک،استفاده از جریان یونها است.اگر حرکت یونها را در میدان الکتریکی در نظر بگیریم،این یونها زمانی که از یک الکترود به سمت الکترود دیگر حرکت میکنند،درطولمسیرذرّات سیال را بهمراه خود میکشانند و باعث ایجاد جریان در داخل سیال میشوند.برای تولید این یونها در سیال روشهای مختلفی وجود دارد (از جمله ایجاد میدان متمرکز و شدید الکتریکی در داخل سیال).میتوان گفت این رشته تحقیقاتی با توجه به اندازه یونها در مقیاسهای کوچک پتانسیل کاربردی بیشتری دارد.در مقیاسهای کوچک میتوان میکروپمپ و در سایزهای بزرگ میتوان از مبدلهای حرارتی نام برد.از این رشته میتوان در پالایش هوا،فیلترهای یونی،جداسازی ذرّات معلّق و ... استفاده نمود.این رشته ترکیبی از رشتههای شیمی،فیزیک،مکانیکو الکترومغناطیس میباشد.مثلاً درشیمی،میتوان به بررسی فعل وانفعال یونها در سطح الکترودها پرداخت و یا در الکترومغناطیس بر روی نحوه ایجاد میدان موّثر بر سیال و در مکانیک بر روی جریان و حرکت سیالکارکرد.از جمله کاربردهای این رشته میتوان فرایند نمک زدایی[2] را نام برد.جهت جمع آوری ذرّات نمک در محلول(آب دریا) و رقیق سازی آن سعی میشود تا از بهم پیوستگی[3] قطرات آب ، افزایش حجم و جرم قطرات جهت جداسازی فازها استفاده نمود.برای این کار از میدان الکتریکی استفاده میکنند.دیهیدراتورها[4] بر اساس سه نوع میدان الکترواستاتیک کار میکنند[1]. جریان های DC بسیار کارامد هستند ولی باعث خوردگی الکترودها میشوند.در مواقعی که از نفت خام[5] استفاده میشود باید از منابع تامین ولتاژ قوی تر (میدان های الکتریکی چند فرکانسی) استفاده نمود.روغن خام دارای ویسکوزیته و هدایت الکتریکی بالاست. جریان های DC در روغن های تصفیه شده استفاده میشوند در حالی که جریان AC در اکثر موارد کاربرد دارد.همچنین ترکیب AC/DC هم میتواند به عنوان میدان موثر استفاده شود.جریان AC در دی هیدراتورها جهت ایجاد میدان بین الکترود باردار و الکترود زمین استفاده میشود(شکل 1-1). شکل1-1: دهیدراتور AC-[1]همانطور که نشان داده شده، یک گرادیان AC ضعیف بین الکترود (+) و سطح مشترک روغن و آب و یک گرادیان AC قوی بین الکترود (+) و(-) تشکیل میشود.روغن وارد شده به مخزن که در بالای سطح آب قرار دارد سریع منعقد میشود و سپس شاهد بهم آمیختگی بیشترتوسط میدان AC قوی خواهیم بود و این در حالی است که روغن موجود در بالای الکترود(-) هیچ انعقادی ندارد چون اصولاً میدانی در آن جا وجود ندارد. امروزه از ترکیب AC/DC در فرایند جداسازی استفاده میشود.در این نوع جداسازها ترکیبی از الکترودها بصورت موازی و عمودی و بصورت قطری در سراسر دریچه و کمی بالاتر از خط مرکزی قرار میگیرند.در این وسایل از یک یا سه انتقال دهنده شامل دو قطبیهای معکوس جهت ایجاد میدان DCبین الکترودهای مجاور استفاده میشود. در بررسی نیروهای وارده به قطرهآب،فرض کنید قطرهای در میان دو الکترود قرار دارد.پنج نیرو را برای این قطره میتوان در نظر گرفت.دو نوع از این نیروها وزن و هیدرولیک میباشند.نیروی گرانش که برابر وزن قطرهاست و باعث حرکت به سمت پایین میشود.نیروی درگ که از طرف سیال احاطه کننده قطره (روغن) باعثایجاد (نیروی لیفت) میشود.اگر قطره آب بزرگتر از قطر قطره استوکس[6] باشد،آنگاه وزن بر درگ غلبه کرده و باعث جدایش آب از روغن میگردد. جهت بهبود روند جداسازی قطرات،میدان الکتریکی باید قابلیت ایجاد انعقاد قطرات را بالا برده و از این طریق باعث افزایش قطر قطرات نسبت به قطر استوکس گردد.سه نوع نیروی الکترواستاتیک را برای یک قطره میتوان متصوّر بود.نیروی دو قطبی نیروی بین مولکولهای آب است که متناسب با گرادیان میدان الکتریکی ،قطر قطره و فاصله بین قطرات است. نیرویالکترو فورتیک میتواند جاذب یا دافع باشد.این نیروها در یک میدان ولتاژ یکنواخت و بین قطره باردار و الکترود شکل میگیرند.این نیرو متناسب با قدرت میدان،قطر قطره وهدایت الکتریکی روغن میباشد. نیروهای دی الکتروفورتیک در یک میدان غیر یکنواخت تولید میشوند و نیروهای جاذب میباشند.این نیروها باعث راندن قطره به سمتی میشوند که گرادیان ولتاژ در آن قسمت بیشتر است.این نیرو متناسب با قطر قطره و هدایت الکتریکی آن است.این سه نیرو در اغلب دیسالترها دیده میشوند ولی مقدار این نیروها میتوانند با توجه به تغییر میدان الکتریکی جهت رسیدن به انعقاد و جداسازی بهتر تغییر کنند.هنگامی که قطرات منعقد شوند،فاصله بین آنها بیشتر شده و این باعث کاهش نیروی دو قطبی میگردد.همچنین نیروی الکتروفورتیک مستقل از فاصله قطره میباشد ولی به هدایت الکتریکی و ویسکوزیته روغن وابسته است. نیروی الکتروفورتیک زمان ثابتی دارد متناسب با نسبت ثابت دی الکتریک به هدایت الکتریکی.در روغنهای با هدایت بالا میزان این نیرو شدیداً کاهش مییابد.نیروی دو قطبی بین دو قطره در پایین دیسالترها (جایی که جزء آبی بیشتری وجود دارد،بالاتر استو قطرات در فضای کمتری نسبت به هم قراردارند. نیروهای دی الکتروفورتیک قطرات را بسمت نگهدارندههای الکترود میفرستند و باعث افزایش میزان قطرات و در نتیجه نیروی دو قطبی میشوند. در جریان DC یکنواخت بین دو الکترود،نیروی الکتروفورتیک در جلو و عقب راندن قطره بین دو الکترود موّثر است.هنگامی که قطره بسمت الکترود تحریک شده نزدیک میشود،بار همان الکترود را میگیرد.در این هنگام نیروی الکتروفورتیک قطره را به سمت الکترود با بار مخالف میراند. بنابراین این نیرو باعث ایجاد حرکت و تغییر مکان قطرات بین دو الکترود میشود.در نتیجه این حرکت انعقاد موثر،تولید قطره با سایز بزرگ و جداسازی سریع را میتوان انتظار داشت.شکل1-2: نیروهای وارد بر یک قطره درمیدان –DC[1]در دیسالترها خواص فیزیکی نظیر،ویسکوزیته و دانسیته روغن و آب نیز موثرند.با استفاده از این مقادیر میتوان قطر شناوری را مشخص نمود.تمامی قطرات بزرگتر دارای وزن کافی جهت غلبه بر نیروی ویسکوز خواهند بود و روی سطح مشترک جمع می شوند. ویسکوزیته روغن با دما نسبت معکوس دارد.افزایش دما باعث کاهش ویسکوزیته و در نتیجه نشست قطرات میشود ولی افزایش دما بر روی اختلاف دانسیته نیز تاثیر گذاشته و نرخ جدایش را تحت تاثیر قرار میدهد.بنابر این بالانس بین نرخ روغن،اختلاف دانسیته و ویسکوزیته روغن جهت بهبود عملکرد ضروری به نظر میرسد.این پارامترهای طراحی،متغیرهای اولیه در بررسی عملکرد میباشند.دو پارامتر کلیدی دیگر که بر روی فرایند الکترواستاتیک و کارامدی آن تاثیر میگذارند،کشش سطحی[7] و هدایت الکتریکی روغن میباشند.کشش سطحی بالا انعقاد قطره را مشکل میکند در حالی که کشش سطحی پایین ،فرآیند انعقاد را آسانتر میکند ولی باعث می شود قطره منعقد شده راحت تر گسسته گردد و باعث ناپایداری آن میشود.بار قطره بالا و یا افزودنیهای شیمیایی[8]،باعث کاهش کشش سطحی و افزایش نرخ گسستگی[9] میشوند.هدایت الکتریکی قطره نتیجه وجود مواد آلی و غیر آلی دارای قطب مغناطیسی و یا الکتریکی،ذرّات آب،ذرّاتجامدهادیمیباشد.هر چه هدایت الکتریکی روغن بالا باشد،تاثیر معکوس بر روند نیروی الکترواستاتیک خواهد داشت.همانطور که نشان داده شده قطرات کوچکتر احتیاج به ولتاژ بالا جهت غلبه بر کشش سطحی دارند.اما اگر ولتاژ خیلی بالا باشد گسیختگی قطره را بدنبال دارد. دو ولتاژ جهت انجام کامل فرایند آب زدایی در نظر گرفته میشود.اولین ولتاژ،ولتاژ آستانهای است.میدانی را در نظر بگیرید که در آن ولتاژ به آرامی افزایش مییابد.در یک ولتاژ خاص جریان به شدّت افزایش مییابد و این نشان دهنده شارژشدن الکتریکی آب است. به محض شارژ شدن نمودار نزول مییابد که نشان از انعقاد قطره آب دارد.برای روغن خالص،چنین افزایش جریانی وجود ندارد و در واقع شیب جریان نسبت به ولتاژ ثابت و برابر هدایت الکتریکی روغن است. هنگامی که محدوده کاربرد ولتاژ زیر محدوده آستانهای است انرژی الکترواستاتیک کافی جهت انعقاد اولیه وجود ندارد.در ولتاژهای نزدیک به ولتاژ آستانهای قطر قطرات ماکزیمم میشوند.در ولتاژ کمتر از ولتاژ آستانهای ،قطرات با قطر کمتر دارای انرژی لازم نیستند و پدیده جدایش آب و نمک به خوبی صورت نمی گیرد.برای آب زدایی کامل ،تمامی آب موجود باید به قطرات با قطر بزرگتر از استوکس منعقد شوند تا از روغنی که به سمت بالا حرکت میکند جدا شوند.انعقاد قطرات کوچکتر احتیاج به میدان قوی تر جهت ایجاد نیروی الکترواستاتیک لازم دارد.اما افزایش ولتاژ باعث افزایش نیروی الکترواستاتیک در قطرات بزرگتر هم میشودکه گسیختگی را به همراه دارد. بنابراین ولتاژ به کار گرفته شده نباید از ولتاژ شکست بیشتر شود.به این ولتاژ،ولتاژ بحرانی گویند. افزایش ولتاژ بعد از این مرحله، باعث تشکیل قطرات کوچکتر و در نتیجه کاهش عملکرد آب زدایی خواهد گردید.