Luận Văn Thạc Sĩ Về Nghiên Cứu Điện Thủy Động Lực Học Trong Phun Hạt Sử Dụng OpenFOAM

Luận văn thạc sĩ nghiên cứu hàng không vũ trụ numerical study of electrohydrodynamic atomization by openfoam, đánh giá hiện trạng, phân tích vấn đề, đề xuất biện pháp hoàn thiện

• Tác giả: Mai Ngoc Luan
• Người hướng dẫn: Assoc. Ngo Khanh Hieu
• Trường học: Ho Chi Minh City University of Technology
• Chuyên ngành: Aerospace Engineering
• Đề tài: Numerical Study Of Electrohydrodynamic Atomization By OpenFOAM
• Loại tài liệu: Master’s Thesis
• Năm xuất bản: 2023
• Địa điểm: Ho Chi Minh City

Tóm tắt

I. Giới thiệu chung

Luận văn này tập trung vào việc nghiên cứu điện thủy động lực học trong quá trình phun hạt bằng phần mềm mã nguồn mở OpenFOAM. Mục tiêu chính là phát triển một bộ giải điện thủy động lực học để mô phỏng chế độ đơn tia của phun điện. Bộ giải này được xác thực và kiểm chứng với các tài liệu trước đó cũng như dữ liệu thực nghiệm, đồng thời cải tiến để nghiên cứu quá trình hình thành nón Taylor dưới tác động của phóng điện corona. Kết quả của nghiên cứu này sẽ tạo cơ sở cho các phân tích số trong tương lai về phun hạt. Việc áp dụng OpenFOAM cho phép mô phỏng chính xác hơn các hiện tượng vật lý phức tạp trong quá trình phun hạt, từ đó mở rộng khả năng ứng dụng trong nhiều lĩnh vực.

1.1. Tầm quan trọng của nghiên cứu

Nghiên cứu về điện thủy động lực học có vai trò quan trọng trong nhiều lĩnh vực như hóa học, sinh học, dược phẩm, và công nghệ sản xuất. Phun hạt là một công nghệ tiên tiến cho phép tạo ra các hạt có kích thước nano, có thể ứng dụng trong các thiết bị phun sương, hệ thống phun nhiên liệu, và công nghệ nano. Việc nghiên cứu sâu về các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình phun hạt sẽ giúp tối ưu hóa quy trình sản xuất và nâng cao hiệu suất. Đặc biệt, việc sử dụng OpenFOAM trong mô phỏng giúp giảm thiểu thời gian và chi phí thử nghiệm thực tế, đồng thời cung cấp những hiểu biết sâu sắc hơn về các hiện tượng vật lý đang diễn ra.

II. Cơ sở lý thuyết

Chương này trình bày các khái niệm cơ bản về điện thủy động lực học và các phương pháp mô phỏng sử dụng OpenFOAM. Phun hạt hoạt động dựa trên nguyên lý của điện thủy động lực học, trong đó lưu chất được đặt trong một trường điện mạnh. Khi lưu chất chịu tác động của trường điện, bề mặt của nó sẽ bị biến dạng, tạo ra một cấu trúc hình nón từ đó các tia chất lỏng được phun ra. Mô hình Taylor-Melcher được sử dụng để mô phỏng các hiện tượng này. Ngoài ra, chương cũng đề cập đến các phương trình Navier-Stokes và các phương pháp theo dõi giao diện như phương pháp Volume of Fluid (VOF) để mô phỏng dòng chảy đa pha.

2.1. Mô hình Taylor Melcher

Mô hình Taylor-Melcher là một trong những mô hình quan trọng trong nghiên cứu điện thủy động lực học. Mô hình này cho phép mô phỏng các đặc điểm của phun hạt, đặc biệt là chế độ đơn tia. Nó cung cấp một cách tiếp cận để tính toán các thông số như dòng điện phun, đường kính tia, và ảnh hưởng của các yếu tố như điện dẫn, điện áp, và sức căng bề mặt. Việc áp dụng mô hình này trong OpenFOAM cho phép thực hiện các phân tích số chính xác và hiệu quả, từ đó giúp hiểu rõ hơn về quá trình hình thành và phát triển của nón Taylor trong các điều kiện khác nhau.

III. Phương pháp nghiên cứu

Chương này mô tả chi tiết về phương pháp nghiên cứu được sử dụng trong luận văn. Bộ giải điện thủy động lực học được phát triển dựa trên OpenFOAM, kết hợp với các phương pháp mô phỏng dòng chảy không nén và đa pha. Các phương trình tĩnh điện được phát triển để mô phỏng các hiện tượng vật lý trong quá trình phun hạt. Các thí nghiệm thực nghiệm cũng được thực hiện để kiểm chứng độ chính xác của mô hình. Các yếu tố như điện áp, độ nhớt, và góc tiếp xúc của lưu chất cũng được nghiên cứu để đánh giá tác động của chúng đến quá trình phun hạt.

3.1. Thiết lập mô phỏng

Thiết lập mô phỏng trong OpenFOAM bao gồm việc xác định các điều kiện biên và các tham số vật lý của lưu chất. Các thông số như điện áp, điện dẫn, và góc tiếp xúc được điều chỉnh để mô phỏng các tình huống thực tế khác nhau. Các mô hình lưới và thuật toán giải được lựa chọn để đảm bảo độ chính xác và hiệu suất cao trong quá trình mô phỏng. Kết quả từ mô phỏng được so sánh với các dữ liệu thực nghiệm để xác thực độ tin cậy của bộ giải. Những cải tiến trong thiết lập mô phỏng cũng được đề xuất nhằm nâng cao khả năng dự đoán của mô hình trong các nghiên cứu tương lai.

IV. Kết quả và thảo luận

Chương này trình bày các kết quả thu được từ mô phỏng và thí nghiệm, cùng với phân tích và thảo luận về các phát hiện chính. Kết quả cho thấy sự tương đồng hợp lý giữa các dữ liệu mô phỏng và thực nghiệm, đặc biệt là trong việc mô phỏng quá trình hình thành nón Taylor. Các yếu tố như điện áp, độ nhớt, và góc tiếp xúc đều có ảnh hưởng đáng kể đến kích thước tia và dòng điện phun. Những phát hiện này cung cấp những hiểu biết quan trọng về cách tối ưu hóa quy trình phun hạt trong các ứng dụng thực tế.

4.1. Phân tích ảnh hưởng của các yếu tố

Phân tích kết quả cho thấy rằng điện áp và độ nhớt có mối quan hệ chặt chẽ với kích thước của tia phun. Đặc biệt, khi điện áp tăng, kích thước tia phun giảm, cho thấy sự ổn định cao hơn trong chế độ đơn tia. Ngoài ra, góc tiếp xúc của lưu chất cũng ảnh hưởng lớn đến quá trình hình thành nón Taylor. Các kết quả này không chỉ khẳng định tính chính xác của mô hình mà còn mở ra hướng nghiên cứu mới về việc điều chỉnh các yếu tố này để tối ưu hóa quy trình phun hạt trong các ứng dụng công nghiệp.

V. Kết luận và triển vọng nghiên cứu

Luận văn đã phát triển một bộ giải điện thủy động lực học dựa trên OpenFOAM để nghiên cứu quá trình phun hạt. Kết quả nghiên cứu không chỉ cung cấp những hiểu biết sâu sắc về cơ chế hoạt động của phun hạt mà còn mở ra hướng đi mới cho các nghiên cứu tiếp theo. Việc cải tiến bộ giải và áp dụng cho các loại lưu chất khác nhau sẽ là những bước tiếp theo quan trọng trong nghiên cứu. Các ứng dụng trong công nghệ nano và sản xuất dược phẩm cũng sẽ được khám phá trong tương lai.

5.1. Hướng nghiên cứu tương lai

Hướng nghiên cứu tương lai có thể bao gồm việc mở rộng mô hình để áp dụng cho các loại lưu chất khác nhau, cũng như nghiên cứu ảnh hưởng của các điều kiện môi trường đến quá trình phun hạt. Việc kết hợp các công nghệ mới như cảm biến và trí tuệ nhân tạo vào quy trình mô phỏng có thể giúp nâng cao độ chính xác và hiệu quả của nghiên cứu. Những nghiên cứu này không chỉ có giá trị lý thuyết mà còn có thể ứng dụng rộng rãi trong thực tiễn.

Trích đoạn nội dung tài liệu

VIETNAM NATIONAL UNIVERSITY HO CHI MINH CITY HO CHI MINH CITY UNIVERSITY OF TECHNOLOGY -------------------- MAI NGOC LUAN NUMERICAL STUDY OF ELECTROHYDRODYNAMIC ATOMIZATION BY OPENFOAM Major: AEROSPACE ENGINEERING Major code : 8520120 MASTER’S THESIS HO CHI MINH CITY, July 2023 THIS THESIS IS COMPLETED AT HO CHI MINH CITY UNIVERSITY OF TECHNOLOGY – VNU-HCM Academic Supervisor: Assoc. Ngo Khanh Hieu Examiner 1: Assoc. Le Tuan Phuong Nam Examiner 2: Dr. Pham Minh Vuong This thesis is defended at Ho Chi Minh City University of Technology, VNUHCM on July 15th, 2023 Master's Thesis Committee: 1.

Vu Ngoc Anh Chairman 2. Vuong Thi Hong Nhi Secretary 3. Le Tuan Phuong Nam Examiner 1 4. Pham Minh Vuong Examiner 2 5.

Nguyen Song Thanh Thao Member Approval of the Chairman of Master's Thesis Committee and the Dean of Faculty of Transportation Engineering after the thesis being corrected CHAIRMAN OF THESIS DEAN OF FACULTY OF COMMITTEE TRANSPORTATION ENGINEERING VIETNAM NATIONAL UNIVERSITY HO CHI MINH CITY SOCIALIST REPUBLIC OF VIETNAM HO CHI MINH CITY UNIVERSITY OF TECHNOLOGY Independence – Freedom – Happiness MASTER THESIS ASSIGNMENT Student name: MAI NGOC LUAN Student ID: 2170729 Date of birth: 08/11/1997 Place of birth: Ho Chi Minh City Major: Aerospace Engineering Major code: 8520120 I. THESIS’S TITLE: Numerical study of electrohydrodynamic atomization by OpenFOAM. THESIS ASSIGNMENT: This thesis aims to develop a electrohydrodynamic solver based on the open- source software OpenFOAM to investigate the single cone-jet mode of electrospray. The solver is physically verified and validated with preceding literature and with experiment data under the consideration of liquid’s contact angle condition.

Additionally, the solver is enhanced to investigate the Taylor cone formulation process under the effects of corona discharge. The outcome of this thesis will serve as the basis for future numerical analyses of electrospray. DATE OF ASSIGNMENT: 14/02/2023 IV. DATE OF COMPLETION: 09/06/2023 V.

SUPERVISOR’S FULL NAME: Associate Professor Dr. Ngo Khanh Hieu Ho Chi Minh City,……/……./2023 SUPERVISOR HEAD OF DEPARTMENT (Sign and write full name) (Sign and write full name) DEAN OF FACULTY OF TRANSPORTATION ENGINEERING (Sign and write full name) i ACKNOWLEDGEMENT This work is accomplished under a collaboration between VNU-HCM Key Lab. for Internal Combustion Engine, Ho Chi Minh City University of Technology, Ho Chi Minh City, Vietnam and School of Engineering and Built Environment, Griffith University, Queensland, Australia. I gratefully acknowledge Associate Professor Dr.

Ngo Khanh Hieu, Dr. Dau Thanh Van, Dr. Tran Canh Dung, Dr. Dinh Xuan Thien, Mr.

Vu Trung Hieu and Mr. Vu Hoai Duc for helping achieve this state of my thesis. I would like to thank Dr. Nguyen Tan Hoi and CFD team at TechnoStar Vietnam for supporting me during my Master course.

Additional thanks to Ms. Truong Van Ngoc for proofreading and grammatical corrections. Ho Chi Minh City, July 2023 Mai Ngoc Luan ii ABSTRACT Electrospray, or Electrohydrodynamic Atomization (EHDA) operates on the principles of electrohydrodynamics which deal with the motion of fluids placed inside an electrical field. When a fluid is subjected to an adequately strong electrical field, its surface can be deformed, creating a meniscus from whose apex thin jets is induced.

Eventually, these jets are destabilized and disintegrated into microscale or nanoscale charged droplets. Among the known operating regimes of electrospray, the stable single cone-jet mode is the most desired and applicable because of its stability, controllability, and high yield rate in comparison to other regimes. In this thesis, we program an electrohydrodynamic solver to simulate the cone- jet mode based on the Taylor-Melcher leaky-dielectric model. The solution for the electrostatic governing equations is additionally developed, coupling with Open- FOAM’s interFOAM to model incompressible time-dependent multiphase fluid flow.

The solver is physically verified and validated with preceding literature as well as with experiment data under the further consideration of liquid’s contact angle condition, followed by analyses on the effects of electrical conductivity, voltage, surface tension, flow rate, and fluid viscosity on spray current and jet diameter. Numerical results are in reasonable agreement with experiments and consistent with preceding literature. Additional studies on different contact angles are performed, suggesting potentially major impacts of this factor on the cone-jet mode in high voltage and low flow rate circumstances. Furthermore, the electrohydrodynamic solver is enhanced to investigate the Taylor cone formulation process under the effects of corona discharge.

Electrospray-corona simulation and contrasting experiment with high-speed camera show significant improvement of the numerical prediction for Taylor cone formation, implying the crucial role of liquid wetting to the Taylor cone formation in numerical electrospray-corona discharge studies. Keywords: capillary nozzle, CFD, cone-jet, corona discharge, electrospray, liquid wetting, OpenFOAM, Taylor cone, … iii TÓM TẮT LUẬN VĂN Công nghệ phun sương bằng lực tĩnh điện được sử dụng để tạo ra sôn khí từ điện áp lớn. Công nghệ này hoạt động dựa trên các nguyên tắc của điện thủy động lực học dùng để giải quyết các vấn đề liên quan đến chuyển động của lưu chất trong điện trường. Khi chất lỏng được đặt trong một trường điện trường đủ lớn, bề mặt của nó bị biến dạng tạo ra một cấu trúc có dạng hình nón và từ đó tạo ra những tia chất lỏng bắn ra từ đỉnh của hình nón này.

Sau đó những tia chất lỏng bị phân tách thành những vi hạt mang điện tích. Trong những chế độ hoạt động của công nghệ này, chế độ đơn tia có khả năng ứng dụng cao nhất bởi vì tính ổn định, khả năng điều chỉnh cao và phun hiệu quả của nó. Trong luận văn này, tác giả phát triển một công cụ mô phỏng kết hợp tĩnh điện và cơ lưu chất dựa trên mô hình Taylor-Melcher leaky-dielectric để nghiên cứu chế độ đơn tia. Bộ giải các phương trình tĩnh điện được phát triển thêm, kết hợp với bộ giải interFoam có sẵn của OpenFOAM để mô phỏng dòng chuyển động đa pha, không nén, và phụ thuộc vào thời gian.

Độ tin cây của công cụ mô phỏng này được minh chứng bằng cách tái tạo các hiện tượng vật lý cơ bản và so sánh với các nghiên cứu trước, cũng như là với thí nghiệm có tính tới sự ảnh hưởng của góc tiếp xúc của lưu chất. Tiếp đó, sự ảnh hưởng của các yếu như điện dẫn, điện áp, sức căng bề mặt, lưu lượng, độ nhớt lưu chất lên dòng điện phun và đường kính tia phun cũng được phân tích. Kết quả mô phỏng cho thấy sự đồng nhất hợp lý với các dữ liệu so sánh. Thêm vào đó, phân tích các góc tiếp xúc lưu chất khác nhau thể hiện sự ảnh hưởng lớn của yếu tố này trong trường hợp điện áp cao và lưu lượng thấp.

Cuối cùng, công cụ mô phỏng được cải tiến để xem xét quá trình tạo thành của nón Taylor dưới sự ảnh hưởng của hiện tượng phóng điện. Các kết quả mô phỏng cùng với dữ liệu thực nghiệm cho thấy sự cải tiến rõ rệt trong việc dự đoán quá trình tạo thành của nón Taylor, từ đó thể hiện vai trò tiềm năng của của tính dính ướt của lưu chất trong mô phỏng sự hình thành của nón Taylor dưới ảnh hưởng của hiện tượng phóng điện. Từ khóa: ống mao dẫn, phương pháp số động lực học lưu chất, đơn tia, hiện tượng phóng điện, sự dính ướt lưu chất, OpenFOAM, nón Taylor, … iv THE COMMITMENT I hereby commit that: - This master thesis outline is done by me with guidance from Assoc. Ngo Khanh Hieu, Dr.

Dau Thanh Van, Dr. Dinh Xuan Thien, and with the support of Dr. Canh-Dung Tran, Mr. Vu Trung Hieu and Mr.

Vu Hoai Duc. - Design of the experiment apparatus and supporting experiments are carried out by the research team at the School of Engineering and Built Environment, Griffith University, Australia led by Dr. Dau Thanh Van. The author’s contributions include program development, all disclosed numerical simulations, data curation and visualization, and scientific discussions presented in this thesis.

- The data, numbers, results in this work except for specialized experiments are done by me at Ho Chi Minh City University of Technology. Any publication or article reusing the content of this work is dominantly authored by me and explicitly declared in the “Publications” section of this thesis. - All of the references used in this work are cited fully and clearly in information: name of the author(s), title, date of publication, place of publication with highest precision in my knowledge. Author, Mai Ngoc Luan v TABLE OF CONTENTS THESIS ASSIGNMENT.

iii TÓM TẮT LUẬN VĂN. iv THE COMMITMENT.v TABLE OF CONTENTS. vi List of Tables. ix List of Figures.

Objective(s) of the study. Investigation subject and scope of study. Electric charge and electric field. Conservation of charge.

Electrostatic force density. Computational Fluid Dynamics. Navier-Stokes equations. Pressure-velocity coupling.

Volume of Fluid interface tracking method. Contact angle correction. Electrohydrodynamic coupling procedure. The Taylor-Melcher leaky-dielectric model.

Structure and solving process of interElectroFoam. Results and discussion. Physical verification of interElectroFoam. Validation with previous literature.

Validation with experiment results. Contact angle effects on Taylor cone. Simulation of corona discharge effects in electrospray. Corona discharge condition assumptions.

Simulation results on Taylor cone formulation. Conclusion and prospective future research. Additional experiment results. Contact angle correction formulation.

Additional simulation results .92 viii List of Tables Table 4-1. Air and Ethanol properties used in simulations. Boundary conditions for the computational domain in physical parame- ters. Convergence criteria of the physical parameters.

Description of validation test cases used in Singh [28]. Description of validation test cases used in Huh [38]. Physical properties of PEG-200.49 ix List of Figures Figure 1-1. Different forms of the Taylor cone [15].

Captured developing stages of the Taylor cone [16]. Corona discharge captured in electrospray [18]. Illustration of charged particles in space and their electric field [51]. Directory structure of an OpenFOAM simulation.

Solving procedure of the PISO algorithm. Solving procedure of the SIMPLE algorithm. Flowchart of the present interElectroFoam. (a) The dimensions of the computational domain and; (b) The mesh de- scription of physical verification simulation.

Phase fraction results of Ethanol (a) t = 300 ms,   0 V and (b) t = 15 ms   4 0 0 0 V. Electric field intensity variation with time of Ethanol electrospray. Additional simulation results of Ethanol electrospray: (a) Charge densi- ty accumulation of liquid interface (contour: charge density; black line: liquid surface), (b) Backflow near the apex of the cone, (c) Vectors of total electrostatic force acting on the interface at t = 0. Comparison of jet diameter variation with flow rate between Singh [28], our interElectroFoam and scaling law for 2-μm nozzle.

Comparison of jet diameter variation with flow rate between Singh [28], our interElectroFoam and scaling law for 10-μm nozzle. Phase fraction simulation results in different applied voltage: (a) Huh’s results [38], (b) interElectroFoam results. Electric field plotted along axial coordinate y = 8 μm of Huh [38] and interElectroFoam. Electric field contour surrounding the cone, jet and droplets.

The dimensions of the computational domains for two nozzle config- urations (a) Nozzle 1 and (b) Nozzle 2. The axisymmetric hybrid mesh model with (i) Feeding nozzle and (ii) Ring electrode. The inset figure shows a close-up view of the mesh resolution nearby the nozzle. The nozzle’s sharp edges are filleted at rfil  1.

The Taylor cone’s shape produced by different grid resolutions. (a) Experimental measurement of contact angle of PEG-200 on stain- less steel plate and simulation of static droplet on wall boundary with different contact angle conditions; (iii) is overlapped with (i) to demonstrate appearance conformity. (b) Simulation shows different fluid propagation schemes due to different contact angles on nozzle; (vi) No angle represents zero-gradient condition  / n  0.