МОДЕЛИРОВАНИЕ ДИНАМИКИ ЗАРЯЖЕННОЙ КАПЛИ ЖИДКОСТИ В СРЕДЕ COMSOL

 

Джайчибеков Н.Ж.¹, Киреев В.Н.², Шалабаева Б.С.¹, Омарова Ж.Ж.¹, Кутпанова З.А.¹

¹Евразийский национальный университет имени Л.Н. Гумилева, Астана, Казахстан

²Башкирский государственный университет, Уфа

shalabaeva.b.s@mail.ru

 

Исследование динамики дисперсных систем в различных областях является актуальной проблемой современной науки и техники. Пример таких систем представляют эмульсии, которые встречаются во многих отраслях промышленности: нефтегазовой, строительной, автомобильной, пищевой, биотехнологии, медицине, а также в микро и нанотехнологиях. Изучение взаимодействия большого количества деформируемых капель особенно важно для прогнозирования реологических свойств систем «жидкость-жидкость» и выявления различных эффектов при их движении, например, в микроканалах, моделирующих пористый пласт. Моделирование стоксовых течений в различных областях имеет значение также для микрогидродинамики при создании лабораторий на чипе. В то же время, существует весьма ограниченное количество решений подобных задач. Проведение лабораторных исследований по изучению динамики капель эмульсий в микроканалах в широком диапазоне значений различных параметров, влияющих на физические свойства всей системы в целом, дорогостояще и трудновыполнимо. Компьютерное моделирование позволяет планировать, частично заменять и существенно дополнять эксперименты [1]. Эволюция капель заряженных жидкостей актуальны во многих прикладных задачах, таких как явления, определяющие начало дождя, двигатели с полевым выбросом (FEEP), микрожидкостной чип, электронная бумага и т.д. [2]

В работе рассматривается математическая модель, проводящей капли вязкой жидкости, погружающейся в диэлектрическую вязкую жидкость бесконечной протяженности и изменяющейся под влиянием капиллярности и электростатического отталкивания. Используя уравнения гидродинамики и электромагнетизма и ряд физически реалистичных предположений, мы сводим задачу к системе уравнений с частными производными. Решение такой системы уравнений является особенно сложным.

Целью работы является изучение динамики электрически заряженных капель жидкости, движущихся под действием поверхностного натяжения и электростатических сил. Нас особенно интересует устойчивость этих капель и образование конечно-временных особенностей на свободной поверхности. Эти особенности имеют вид конических наконечников на поверхности капли, где кривизна поверхности и поля скорости жидкости расходятся в определенное время.

В результате проведения компьютерного моделирования в среде Сomsol Multiphysics можно видеть на Рис. 1 изменение формы заряженной капли со временем.

 

Рис.1. Динамика изменения свободной границы капли при t = 0, 01 c, t = 0, 43 c,

t = 0, 47c.

 

Таким образом показано, что созданная на основе программного модуля Сomsol Multiphysics компьютерная и математическая модель может адекватно отражать динамику изменения границы заряженной капли жидкости и показать положение границы раздела фаз. По итогам работы можно увидеть как стабильность капли зависит от значений заряда, объема, поверхностного натяжения и вязкости, а также от формы капли.

Работа выполнена в рамках проекта АЗ05134098 грантового финансирования Министерства образования и науки Республики Казахстан.

 

Список литературы

1. Абрамова О.А., Иткулова Ю.А., Гумеров Н.А. Моделирование трехмерного движения деформируемых капель в стоксовом режиме методом граничных элементов // Вычисл. Мех. Сплош. Сред. – 2013. – Т. 6, № 2. – C. 214-223.

2. R. A. Hayes and B. J. Feenstra, Video speed electronic paper based on electrowetting, Nature, 425, pp. 383-385 (2003).

 

УДК 532.5

 

⇐ Предыдущая12345678910Следующая ⇒

Поделиться: