Nghiên cứu số về atom hóa điện thủy động bằng OpenFOAM

Tài liệu nghiên cứu Numerical study of electrohydrodynamic atomization by openfoam, tổng hợp lý thuyết và thực hành, cung cấp kiến thức chuyên sâu về .

• 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

Mục lục chi tiết

• ACKNOWLEDGEMENT
• ABSTRACT
• TÓM TẮT LUẬN VĂN
• THE COMMITMENT
• 1. CHƯƠNG 1: THESIS INTRODUCTION
• 1.1. Motivation
• TABLE OF CONTENTS
• List of Tables
• List of Figures
• 2. CHƯƠNG 2: OBJECTIVE(S) OF THE STUDY
• 3. CHƯƠNG 3: INVESTIGATION SUBJECT AND SCOPE OF STUDY
• 4. CHƯƠNG 4: ELECTRIC CHARGE AND ELECTRIC FIELD
• 5. CHƯƠNG 5: CONSERVATION OF CHARGE
• 6. CHƯƠNG 6: ELECTROSTATIC FORCE DENSITY
• 7. CHƯƠNG 7: COMPUTATIONAL FLUID DYNAMICS
• 7.1. Navier-Stokes equations
• 7.2. Pressure-velocity coupling
• 7.3. Volume of Fluid interface tracking method
• 7.4. Contact angle correction
• 7.5. Electrohydrodynamic coupling procedure
• 7.6. The Taylor-Melcher leaky-dielectric model
• 7.7. Structure and solving process of interElectroFoam
• 8. CHƯƠNG 8: RESULTS AND DISCUSSION
• 8.1. Physical verification of interElectroFoam
• 8.2. Validation with previous literature
• 8.3. Validation with experiment results
• 8.4. Contact angle effects on Taylor cone
• 8.5. Simulation of corona discharge effects in electrospray
• 8.5.1. Corona discharge condition assumptions
• 8.5.2. Simulation results on Taylor cone formulation
• 9. CHƯƠNG 9: CONCLUSION AND PROSPECTIVE FUTURE RESEARCH
• ADDITIONAL EXPERIMENT RESULTS
• CONTACT ANGLE CORRECTION FORMULATION
• ADDITIONAL SIMULATION RESULTS

Tóm tắt

I. Nghiên cứu số Atom hóa Điện Thủy động Tổng quan Ứng dụng

Atom hóa điện thủy động (EHDA), hay phun sương điện, dựa trên các nguyên tắc của điện thủy động lực học, liên quan đến chuyển động của chất lỏng trong điện trường. Bề mặt chất lỏng có thể bị biến dạng, kéo dài, sau đó vỡ ra và phân tán thành các giọt nhỏ hơn nhiều so với kích thước ống dẫn (đường kính vòi phun trong trường hợp phun điện). Điều này hữu ích cho nhiều ứng dụng. Lần đầu tiên được ghi nhận bởi William Gilbert, hiện tượng này cùng với khoa học cơ bản đã được nghiên cứu rộng rãi và phát triển thành các công nghệ làm phong phú thêm cuộc sống của con người theo nhiều cách khác nhau. Cùng với sự tiến bộ của công nghệ nano/micro, phun điện đã được chứng minh là hữu ích trong các ứng dụng hóa học, sinh học, dược phẩm, đốt trong, đẩy và sản xuất. Luận văn này tập trung vào mô phỏng số atom hóa điện thủy động bằng OpenFOAM, một công cụ mạnh mẽ cho CFD.

1.1. Lịch sử và sự phát triển của Atom hóa Điện Thủy động

Atom hóa điện thủy động (EHDA) đã trải qua một quá trình phát triển lâu dài từ những quan sát ban đầu của William Gilbert. EHDA đã trở thành một công cụ quan trọng trong nhiều lĩnh vực khoa học và công nghệ. Sự phát triển của các công cụ mô phỏng số, đặc biệt là CFD và OpenFOAM, đã mở ra những khả năng mới cho việc nghiên cứu và tối ưu hóa quá trình EHDA. Luận văn này tiếp tục đóng góp vào sự phát triển này bằng cách cung cấp một solver được phát triển trên OpenFOAM để mô phỏng dòng chảy đa pha trong quá trình EHDA.

1.2. Ứng dụng đa dạng của Phun sương Điện trong công nghiệp

Phun sương điện có rất nhiều ứng dụng quan trọng trong các ngành công nghiệp khác nhau. Trong lĩnh vực y tế, nó được sử dụng trong các hệ thống phân phối thuốc chính xác. Trong công nghiệp sản xuất, phun sương điện được sử dụng để tạo ra lớp phủ mỏng và đồng đều. Nó cũng có vai trò quan trọng trong việc phân tích mẫu bằng khối phổ. Các nghiên cứu như trong luận văn này đóng góp vào việc cải thiện và mở rộng các ứng dụng của phun sương điện bằng cách cung cấp các công cụ mô phỏng chính xác và hiệu quả.

II. Thách thức trong mô phỏng Atom hóa Điện Thủy Động bằng CFD

Mô phỏng atom hóa điện thủy động (EHDA) bằng CFD đặt ra nhiều thách thức đáng kể. Quá trình này liên quan đến sự tương tác phức tạp giữa thủy động lực học, điện trường và sức căng bề mặt. Việc mô hình hóa chính xác giao diện chất lỏng-khí và sự hình thành giọt đòi hỏi các phương pháp số học tiên tiến. Ngoài ra, việc xử lý các tỷ lệ thời gian và không gian khác nhau, từ sự hình thành nón Taylor đến sự phân tách giọt, đòi hỏi các kỹ thuật tính toán hiệu quả. Các nghiên cứu gần đây đã tập trung vào việc phát triển các mô hình chính xác hơn cho điện trường và thủy động lực học, cũng như các thuật toán hiệu quả hơn để giải các phương trình liên quan. Luận văn này đóng góp vào nỗ lực này bằng cách phát triển một solver mới dựa trên OpenFOAM và xác nhận nó với các dữ liệu thực nghiệm.

2.1. Sự phức tạp của dòng chảy đa pha và điện trường

Mô phỏng EHDA đòi hỏi phải xử lý chính xác sự tương tác giữa dòng chảy đa pha và điện trường. Giao diện chất lỏng-khí cần được mô hình hóa một cách chi tiết để nắm bắt sự hình thành và phân tách của giọt. Điện trường ảnh hưởng đến hình dạng và ổn định của chất lỏng, do đó việc tính toán chính xác là rất quan trọng. Các mô hình CFD phải tính đến cả thủy động lực học và điện từ học để đưa ra dự đoán chính xác. Điều này tạo ra một thách thức tính toán đáng kể, đặc biệt là khi mô phỏng các hệ thống lớn và phức tạp.

2.2. Yêu cầu độ chính xác cao cho mô hình hóa bề mặt chất lỏng

Việc mô hình hóa chính xác bề mặt chất lỏng là rất quan trọng trong mô phỏng EHDA. Sức căng bề mặt đóng một vai trò quan trọng trong việc hình thành giọt và cần được mô hình hóa chính xác. Các phương pháp như Volume of Fluid (VOF) và Continuum Surface Force (CSF) được sử dụng để theo dõi và mô hình hóa giao diện chất lỏng-khí. Tuy nhiên, các phương pháp này có thể gặp khó khăn trong việc duy trì độ chính xác và ổn định, đặc biệt là khi xử lý các bề mặt cong và phức tạp. Việc phát triển các phương pháp số học chính xác và hiệu quả để mô hình hóa bề mặt chất lỏng tiếp tục là một lĩnh vực nghiên cứu quan trọng.

2.3. Tối ưu hóa hiệu suất tính toán cho mô phỏng thời gian thực

Mô phỏng EHDA có thể rất tốn kém về mặt tính toán, đặc biệt là khi mô phỏng các hệ thống lớn và phức tạp. Việc tối ưu hóa hiệu suất tính toán là rất quan trọng để cho phép mô phỏng thời gian thực hoặc các nghiên cứu tham số rộng rãi. Điều này đòi hỏi việc sử dụng các thuật toán hiệu quả, song song hóa và phần cứng tính toán hiệu suất cao. OpenFOAM, là một phần mềm mã nguồn mở, cung cấp sự linh hoạt để tùy chỉnh và tối ưu hóa các mô hình và thuật toán. Nghiên cứu này sử dụng OpenFOAM và tập trung vào việc phát triển một solver hiệu quả để mô phỏng EHDA.

III. OpenFOAM Công cụ mô phỏng Atom hóa Điện Thủy Động

OpenFOAM, một thư viện CFD mã nguồn mở, cung cấp một nền tảng linh hoạt và mạnh mẽ để mô phỏng atom hóa điện thủy động (EHDA). Khả năng mô-đun của nó cho phép phát triển các solver tùy chỉnh để nắm bắt các vật lý phức tạp liên quan. Luận văn này trình bày việc phát triển một solver như vậy, được gọi là interElectroFoam, dựa trên mô hình Taylor-Melcher leaky-dielectric. Solver này kết hợp interFoam của OpenFOAM để mô hình hóa dòng chảy đa pha không nén và phụ thuộc vào thời gian với một phương pháp được phát triển thêm để giải các phương trình tĩnh điện. Độ chính xác và hiệu quả của solver được xác nhận thông qua so sánh với các dữ liệu thực nghiệm và tài liệu hiện có.

3.1. Giới thiệu về interElectroFoam và mô hình Taylor Melcher

interElectroFoam là một solver tùy chỉnh được phát triển trên OpenFOAM để mô phỏng EHDA. Nó dựa trên mô hình Taylor-Melcher leaky-dielectric, mô tả sự tương tác giữa điện trường và chất lỏng dẫn điện kém. Solver này kết hợp các khả năng của interFoam để mô hình hóa dòng chảy đa pha với một phương pháp được phát triển thêm để giải các phương trình tĩnh điện. Điều này cho phép mô phỏng chính xác và hiệu quả quá trình EHDA, bao gồm sự hình thành nón Taylor và sự phân tách giọt.

3.2. Tích hợp interFoam để mô hình hóa dòng chảy đa pha

interFoam là một solver mạnh mẽ trong OpenFOAM được thiết kế để mô hình hóa dòng chảy đa pha không nén. Nó sử dụng phương pháp Volume of Fluid (VOF) để theo dõi giao diện chất lỏng-khí. Việc tích hợp interFoam vào interElectroFoam cho phép mô phỏng chính xác sự tương tác giữa điện trường và dòng chảy đa pha trong EHDA. Điều này bao gồm việc nắm bắt sự biến dạng của bề mặt chất lỏng dưới tác dụng của điện trường và sự hình thành giọt.

IV. Kết quả và Thảo luận Kiểm chứng và Valid hóa interElectroFoam

Hiệu suất của interElectroFoam được đánh giá thông qua một loạt các kiểm tra xác minh và xác nhận. Đầu tiên, solver được xác minh về mặt vật lý bằng cách so sánh kết quả mô phỏng với các giải pháp phân tích và luật tỷ lệ. Sau đó, nó được xác nhận bằng cách so sánh với các dữ liệu thực nghiệm từ tài liệu và các thí nghiệm bổ sung. Các kết quả cho thấy sự phù hợp tốt giữa mô phỏng và dữ liệu thực nghiệm, xác nhận độ chính xác và độ tin cậy của interElectroFoam. Các nghiên cứu thêm về ảnh hưởng của các thông số khác nhau, chẳng hạn như góc tiếp xúc, được thực hiện để khám phá khả năng của solver.

4.1. So sánh kết quả mô phỏng với dữ liệu thực nghiệm

Một phần quan trọng của việc xác nhận interElectroFoam là so sánh kết quả mô phỏng với dữ liệu thực nghiệm. Dữ liệu thực nghiệm được lấy từ các nghiên cứu trước đây và các thí nghiệm bổ sung được thực hiện trong khuôn khổ luận văn này. Các kết quả mô phỏng cho thấy sự phù hợp tốt với dữ liệu thực nghiệm về nhiều thông số, chẳng hạn như hình dạng nón Taylor, đường kính tia phun và dòng điện phun. Điều này xác nhận rằng interElectroFoam có thể dự đoán chính xác hành vi của quá trình EHDA.

4.2. Ảnh hưởng của góc tiếp xúc đến quá trình phun điện

Góc tiếp xúc là một thông số quan trọng ảnh hưởng đến quá trình phun điện. Nó xác định hình dạng của bề mặt chất lỏng gần vòi phun và ảnh hưởng đến sự hình thành nón Taylor. Các nghiên cứu mô phỏng sử dụng interElectroFoam cho thấy rằng góc tiếp xúc có thể có tác động đáng kể đến hiệu suất của quá trình EHDA, đặc biệt là trong các điều kiện điện áp cao và lưu lượng thấp. Việc hiểu và kiểm soát góc tiếp xúc là rất quan trọng để tối ưu hóa quá trình phun điện cho các ứng dụng khác nhau.

4.3. Nghiên cứu ảnh hưởng của phóng điện corona trong EHDA

Luận văn này cũng nghiên cứu ảnh hưởng của phóng điện corona trong atom hóa điện thủy động. Các kết quả mô phỏng và thực nghiệm cho thấy cải thiện đáng kể trong dự đoán sự hình thành nón Taylor khi tính đến ảnh hưởng của phóng điện corona. Điều này cho thấy vai trò quan trọng của tính dính ướt của chất lỏng trong mô phỏng sự hình thành nón Taylor dưới ảnh hưởng của phóng điện corona. Kết quả này đóng góp vào sự hiểu biết sâu sắc hơn về cơ chế EHDA và cung cấp thông tin quan trọng cho việc thiết kế và tối ưu hóa các thiết bị phun điện.

V. Ứng dụng thực tiễn của Mô phỏng EHDA và hướng phát triển

Mô phỏng atom hóa điện thủy động (EHDA) có nhiều ứng dụng thực tiễn trong các lĩnh vực khác nhau. Nó có thể được sử dụng để thiết kế và tối ưu hóa các thiết bị phun điện cho các ứng dụng như phun sơn, phân phối thuốc và sản xuất vật liệu nano. Mô phỏng cũng có thể được sử dụng để nghiên cứu các cơ chế cơ bản của quá trình EHDA và phát triển các mô hình chính xác hơn. Nghiên cứu trong luận văn này mở đường cho các nghiên cứu trong tương lai về mô hình hóa và tối ưu hóa EHDA bằng OpenFOAM.

5.1. Thiết kế và tối ưu hóa thiết bị phun điện sử dụng CFD

CFD có thể được sử dụng để thiết kế và tối ưu hóa các thiết bị phun điện cho các ứng dụng cụ thể. Bằng cách mô phỏng quá trình EHDA, các kỹ sư có thể dự đoán hiệu suất của các thiết kế khác nhau và xác định các thông số hoạt động tối ưu. Điều này có thể giúp giảm chi phí và thời gian phát triển, đồng thời cải thiện hiệu suất của các thiết bị phun điện.

5.2. Nghiên cứu cơ chế hình thành giọt và phân tán chất lỏng

Mô phỏng EHDA có thể được sử dụng để nghiên cứu các cơ chế cơ bản của quá trình hình thành giọt và phân tán chất lỏng. Bằng cách phân tích các kết quả mô phỏng, các nhà nghiên cứu có thể hiểu rõ hơn về vai trò của các thông số khác nhau, chẳng hạn như sức căng bề mặt, điện trường và thủy động lực học. Điều này có thể dẫn đến việc phát triển các mô hình chính xác hơn và các kỹ thuật kiểm soát tốt hơn.

VI. Kết luận Tương lai của Nghiên cứu Số Atom hóa Điện Thủy động

Luận văn này đã trình bày việc phát triển và xác nhận một solver mới dựa trên OpenFOAM, interElectroFoam, để mô phỏng atom hóa điện thủy động (EHDA). Solver này kết hợp interFoam để mô hình hóa dòng chảy đa pha với một phương pháp được phát triển thêm để giải các phương trình tĩnh điện. Các kết quả cho thấy sự phù hợp tốt giữa mô phỏng và dữ liệu thực nghiệm, xác nhận độ chính xác và độ tin cậy của interElectroFoam. Các nghiên cứu trong tương lai có thể tập trung vào việc cải thiện hơn nữa độ chính xác và hiệu quả của solver, cũng như mở rộng các ứng dụng của nó cho các hệ thống EHDA phức tạp hơn.

6.1. Tóm tắt các đóng góp chính của luận văn

Luận văn này đã đóng góp vào lĩnh vực mô phỏng số EHDA bằng cách phát triển và xác nhận một solver mới dựa trên OpenFOAM, interElectroFoam. Solver này có khả năng mô phỏng chính xác quá trình EHDA, bao gồm sự hình thành nón Taylor và sự phân tách giọt. Luận văn cũng cung cấp những hiểu biết mới về vai trò của các thông số khác nhau, chẳng hạn như góc tiếp xúc và phóng điện corona, trong quá trình EHDA.

6.2. Hướng phát triển và nghiên cứu trong tương lai

Có nhiều hướng nghiên cứu có thể được khám phá trong tương lai. Điều này bao gồm việc phát triển các mô hình chính xác hơn cho điện trường và thủy động lực học, cũng như các thuật toán hiệu quả hơn để giải các phương trình liên quan. Ngoài ra, các nghiên cứu trong tương lai có thể tập trung vào việc mở rộng các ứng dụng của interElectroFoam cho các hệ thống EHDA phức tạp hơn, chẳng hạn như các hệ thống sử dụng nhiều vòi phun hoặc các hệ thống có hình học phức tạp.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Electrohydrodynamic Atomization (EHDA), hay còn gọi là electrospray, là công nghệ phun sương sử dụng lực tĩnh điện để tạo ra các giọt chất lỏng có kích thước micro hoặc nano. Khi một chất lỏng được đặt trong trường điện trường đủ mạnh, bề mặt của nó biến dạng thành hình nón Taylor, từ đỉnh nón này phun ra các tia chất lỏng mảnh, sau đó các tia này bị phân tách thành các giọt mang điện tích nhỏ. Trong các chế độ phun của electrospray, chế độ đơn tia (single cone-jet mode) được đánh giá cao nhất nhờ tính ổn định, khả năng điều chỉnh và hiệu suất phun vượt trội.

Mục tiêu chính của luận văn là phát triển một bộ giải số dựa trên phần mềm mã nguồn mở OpenFOAM để mô phỏng chế độ đơn tia của electrospray, đồng thời xác thực bộ giải này bằng cách so sánh với các kết quả thực nghiệm và tài liệu trước đây. Nghiên cứu tập trung vào các yếu tố ảnh hưởng như điện dẫn, điện áp, sức căng bề mặt, lưu lượng và độ nhớt của chất lỏng đến dòng điện phun và đường kính tia phun. Ngoài ra, tác giả còn mở rộng mô hình để xem xét ảnh hưởng của hiện tượng phóng điện corona đến quá trình hình thành nón Taylor.

Phạm vi nghiên cứu được thực hiện trong khoảng thời gian từ tháng 2 đến tháng 6 năm 2023, tại Trường Đại học Bách Khoa, Đại học Quốc gia TP. Hồ Chí Minh, với sự hợp tác từ nhóm nghiên cứu tại Griffith University, Australia. Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc cung cấp công cụ mô phỏng chính xác, giúp tối ưu hóa các ứng dụng electrospray trong các lĩnh vực như y sinh, công nghiệp chế tạo, động cơ đốt trong và công nghệ in phun điện thủy động lực học.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên mô hình Taylor-Melcher leaky-dielectric, một mô hình điện thủy động lực học phổ biến để mô phỏng hiện tượng electrospray. Mô hình này kết hợp các phương trình Navier-Stokes cho chuyển động chất lỏng không nén, phương trình bảo toàn điện tích và phương trình Poisson cho trường điện tĩnh. Các lực điện tĩnh được tính toán bao gồm lực Coulomb và lực phân cực (polarization force), ảnh hưởng đến sự biến dạng bề mặt chất lỏng và hình thành nón Taylor.

Ba khái niệm chính được sử dụng trong nghiên cứu gồm:

• Nón Taylor (Taylor cone): Hình dạng nón đặc trưng của bề mặt chất lỏng dưới tác dụng của trường điện, với góc nón khoảng 49 độ.
• Phương pháp Volume of Fluid (VOF): Phương pháp theo dõi giao diện giữa hai pha chất lỏng và khí, sử dụng biến phân đoạn thể tích để xác định vị trí bề mặt tự do.
• Hiện tượng phóng điện corona: Sự ion hóa không khí xung quanh đầu phun khi điện áp cao được áp dụng, tạo ra dòng điện corona và gió ion (ionic wind) ảnh hưởng đến quá trình phun.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính bao gồm các kết quả mô phỏng số do tác giả phát triển bằng bộ giải interElectroFoam trên nền OpenFOAM, kết hợp với dữ liệu thực nghiệm từ nhóm nghiên cứu Griffith University. Cỡ mẫu mô phỏng là các trường hợp phun với các thông số vật lý và thiết bị khác nhau, bao gồm các loại chất lỏng như ethanol và PEG-200, với các điều kiện biên về điện áp, lưu lượng và góc tiếp xúc.

Phương pháp phân tích sử dụng các thuật toán PIMPLE kết hợp PISO và SIMPLE để giải hệ phương trình Navier-Stokes không nén, đồng thời giải phương trình Poisson cho trường điện tĩnh. Giao diện pha được theo dõi bằng phương pháp VOF với hiệu chỉnh góc tiếp xúc để mô phỏng chính xác hiện tượng dính ướt của chất lỏng trên thành ống mao dẫn.

Quá trình nghiên cứu được thực hiện theo các bước:

1. Phát triển bộ giải interElectroFoam tích hợp mô hình điện thủy động lực học.
2. Xác minh bộ giải bằng các trường hợp chuẩn và so sánh với tài liệu trước.
3. Xác thực bộ giải với dữ liệu thực nghiệm, phân tích ảnh hưởng của các tham số vật lý.
4. Mở rộng mô hình để mô phỏng ảnh hưởng của phóng điện corona và gió ion.

Timeline nghiên cứu kéo dài từ tháng 2 đến tháng 6 năm 2023, với các giai đoạn phát triển, kiểm thử và phân tích kết quả.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Xác thực bộ giải interElectroFoam: Kết quả mô phỏng hình dạng nón Taylor và đường kính tia phun tương đồng với dữ liệu thực nghiệm và các nghiên cứu trước, với sai số trong khoảng 5-10%. Ví dụ, đường kính tia phun thay đổi từ 2 μm đến 10 μm khi lưu lượng thay đổi từ 0.1 đến 0.6 ml/h, phù hợp với các quy luật tỷ lệ đã biết.

2. Ảnh hưởng của điện dẫn: Khi điện dẫn của chất lỏng tăng từ 0.01 S/m đến 0.1 S/m, dòng điện phun tăng khoảng 20%, đồng thời đường kính tia phun giảm 15%, cho thấy điện dẫn cao giúp tăng hiệu quả phun và tạo giọt nhỏ hơn.

3. Ảnh hưởng của điện áp và lưu lượng: Dòng điện phun tăng gần tuyến tính với điện áp từ 3000 V đến 7000 V, trong khi đường kính tia phun giảm nhẹ. Lưu lượng tăng từ 0.1 đến 0.6 ml/h làm đường kính tia phun tăng khoảng 25%, đồng thời làm giảm độ ổn định của chế độ phun.

4. Tác động của góc tiếp xúc: Góc tiếp xúc của chất lỏng với thành ống mao dẫn ảnh hưởng lớn đến hình dạng nón Taylor, đặc biệt trong điều kiện điện áp cao và lưu lượng thấp. Góc tiếp xúc thay đổi từ 30° đến 90° làm thay đổi chiều dài nón và đường kính tia phun đến 30%, ảnh hưởng đến sự ổn định và hiệu suất phun.

5. Ảnh hưởng của phóng điện corona: Mô phỏng kết hợp phóng điện corona cho thấy sự cải thiện đáng kể trong dự đoán quá trình hình thành nón Taylor, với sự xuất hiện của gió ion làm thay đổi dòng điện phun và hình dạng nón. Dữ liệu thực nghiệm chụp bằng camera tốc độ cao xác nhận sự tương đồng với mô phỏng, khẳng định vai trò quan trọng của hiện tượng này.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân của các phát hiện trên có thể giải thích dựa trên cơ chế tương tác giữa lực điện tĩnh và lực bề mặt chất lỏng. Điện dẫn cao giúp tăng khả năng tích tụ điện tích trên bề mặt, làm tăng lực kéo điện và giảm đường kính tia phun. Điện áp cao làm tăng lực điện trường, thúc đẩy sự hình thành và duy trì nón Taylor ổn định. Lưu lượng lớn làm tăng thể tích chất lỏng, khiến nón Taylor dài hơn và tia phun dày hơn, nhưng có thể gây mất ổn định.

Góc tiếp xúc ảnh hưởng đến sự dính ướt và phân bố lực bề mặt, từ đó thay đổi hình dạng nón và khả năng tạo tia phun ổn định. Hiện tượng phóng điện corona tạo ra các ion và gió ion, ảnh hưởng đến điện trường và lực tác động lên chất lỏng, làm thay đổi quá trình hình thành nón Taylor và đặc tính phun.

So sánh với các nghiên cứu trước đây cho thấy kết quả mô phỏng của luận văn có độ chính xác cao và bổ sung thêm phân tích về ảnh hưởng của góc tiếp xúc và phóng điện corona, hai yếu tố ít được đề cập trong các nghiên cứu trước. Các biểu đồ thể hiện mối quan hệ giữa điện áp, lưu lượng, điện dẫn với dòng điện phun và đường kính tia phun được trình bày rõ ràng, giúp minh họa trực quan các kết quả.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Tối ưu hóa góc tiếp xúc bề mặt: Thực hiện xử lý bề mặt ống mao dẫn để điều chỉnh góc tiếp xúc trong khoảng 40°-60°, nhằm tăng tính ổn định và hiệu suất phun trong điều kiện điện áp cao và lưu lượng thấp. Thời gian thực hiện: 6 tháng, chủ thể: phòng thí nghiệm phát triển thiết bị.

2. Kiểm soát điện áp và lưu lượng: Thiết lập hệ thống điều khiển tự động để duy trì điện áp ổn định trong khoảng 3500-7000 V và lưu lượng từ 0.1 đến 0.5 ml/h, nhằm tối ưu dòng điện phun và kích thước giọt. Thời gian thực hiện: 3 tháng, chủ thể: kỹ sư vận hành thiết bị.

3. Ứng dụng mô phỏng phóng điện corona: Áp dụng bộ giải mô phỏng đã phát triển để dự đoán và điều chỉnh hiện tượng phóng điện corona trong các thiết bị electrospray, giúp giảm thiểu tác động tiêu cực và tận dụng gió ion hỗ trợ phun. Thời gian thực hiện: 9 tháng, chủ thể: nhóm nghiên cứu phát triển công nghệ.

4. Phát triển mô hình đa chiều và đa pha: Mở rộng mô hình hiện tại sang mô phỏng 3D và tích hợp các hiệu ứng nhiệt động lực học, bốc hơi để nâng cao độ chính xác và khả năng ứng dụng trong thực tế. Thời gian thực hiện: 12 tháng, chủ thể: nhóm nghiên cứu CFD.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Nhà nghiên cứu và sinh viên ngành kỹ thuật hàng không và cơ khí: Có thể sử dụng kết quả và phương pháp mô phỏng để phát triển các nghiên cứu liên quan đến phun nhiên liệu, động cơ đẩy và công nghệ in phun điện thủy động lực học.

2. Kỹ sư phát triển thiết bị y sinh và dược phẩm: Áp dụng mô hình để tối ưu hóa thiết bị phun thuốc dạng hạt nano, nâng cao hiệu quả điều trị và giảm tác dụng phụ.

3. Chuyên gia công nghệ chế tạo và in phun: Sử dụng bộ giải để thiết kế và cải tiến các hệ thống in phun điện thủy động lực học, đặc biệt trong sản xuất vi mạch và vật liệu chức năng.

4. Nhà quản lý dự án và doanh nghiệp công nghệ cao: Tham khảo để đánh giá tính khả thi và hiệu quả của công nghệ electrospray trong các ứng dụng công nghiệp, từ đó đưa ra quyết định đầu tư và phát triển sản phẩm.

Câu hỏi thường gặp

1. Electrospray là gì và ứng dụng chính của nó?
   Electrospray là công nghệ phun sương sử dụng lực điện tĩnh để tạo ra các giọt chất lỏng nhỏ kích thước micro/nano. Ứng dụng chính bao gồm phân tích khối lượng trong hóa sinh, phun thuốc dạng hạt nano, nhiên liệu động cơ đốt trong và in phun điện thủy động lực học.

2. Mô hình Taylor-Melcher leaky-dielectric có điểm gì nổi bật?
   Mô hình này kết hợp phương trình Navier-Stokes với các phương trình điện tĩnh, mô tả sự tương tác giữa điện tích và dòng chảy chất lỏng. Nó cho phép mô phỏng chính xác hình thành nón Taylor và các đặc tính phun trong electrospray.

3. Tại sao góc tiếp xúc của chất lỏng lại quan trọng trong electrospray?
   Góc tiếp xúc ảnh hưởng đến sự dính ướt của chất lỏng trên thành ống mao dẫn, từ đó thay đổi hình dạng nón Taylor và độ ổn định của chế độ phun. Góc tiếp xúc phù hợp giúp cải thiện hiệu suất và kiểm soát kích thước giọt.

4. Phóng điện corona ảnh hưởng thế nào đến quá trình phun?
   Phóng điện corona tạo ra các ion và gió ion xung quanh đầu phun, làm thay đổi điện trường và lực tác động lên chất lỏng. Hiện tượng này có thể hỗ trợ hoặc cản trở quá trình hình thành nón Taylor và sự ổn định của chế độ phun.

5. Bộ giải interElectroFoam có thể ứng dụng trong những lĩnh vực nào?
   Bộ giải này phù hợp để mô phỏng và tối ưu các thiết bị electrospray trong y sinh, công nghiệp chế tạo, động cơ đốt trong và công nghệ in phun, giúp giảm chi phí thử nghiệm thực tế và nâng cao hiệu quả thiết kế.

Kết luận

• Phát triển thành công bộ giải số interElectroFoam trên nền OpenFOAM, mô phỏng chính xác chế độ đơn tia electrospray với sai số dưới 10% so với thực nghiệm.
• Xác định rõ ảnh hưởng của các tham số vật lý như điện dẫn, điện áp, lưu lượng, độ nhớt và góc tiếp xúc đến dòng điện phun và đường kính tia phun.
• Mở rộng mô hình để mô phỏng hiện tượng phóng điện corona, cải thiện dự đoán quá trình hình thành nón Taylor và tính ổn định của chế độ phun.
• Đề xuất các giải pháp tối ưu hóa thiết bị và quy trình vận hành dựa trên kết quả mô phỏng, có thể ứng dụng trong nhiều lĩnh vực công nghiệp và nghiên cứu.
• Khuyến nghị tiếp tục phát triển mô hình đa chiều, tích hợp các hiệu ứng nhiệt động lực học và bốc hơi để nâng cao độ chính xác và khả năng ứng dụng thực tế.

Next steps: Triển khai mô hình 3D, tích hợp hiệu ứng nhiệt và bốc hơi, mở rộng hợp tác nghiên cứu và ứng dụng công nghiệp.

Các nhà nghiên cứu và kỹ sư được khuyến khích áp dụng bộ giải interElectroFoam để tối ưu hóa thiết kế và vận hành thiết bị electrospray, đồng thời phát triển các nghiên cứu sâu hơn về hiện tượng phóng điện corona và góc tiếp xúc chất lỏng.

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.