Electric Field Effect on the Dynamics of the Structural Flow Components in the Case of Gravity-Induced Separation of a Water Drop

Cover Page

Cite item

Full Text

Open Access Open Access
Restricted Access Access granted
Restricted Access Subscription Access

Abstract

The high-speed videorecording method is used to investigate the effect of an electrostatic field (with the potential 0, 16, and 18 kV) on the flow geometry in the case of gravity-induced separation of a drop from a capillary tube. The flow videograms are analyzed and the dimensions of the characteristic structural elements, that is, the drops themselves, a connection, and satellites, are determined. The oscillations of the linear dimensions and the mother liquid volume after drop separation are traced at 0 and 18 kV. Both fundamental frequencies and their harmonics are observable in the spectra. It is found that small (12%) variations in the potential value lead to qualitative variations in the flow pattern and, in particular, to direct separation of the drop from the mother liquid without the formation of a connection. At a constant liquid flow in the capillary the dimensions of the separated drops decrease with increase of the voltage. The experiments show the possibility of the fine controlling of drop flows using electrostatic fields.

About the authors

Y. D. Chashechkin

Ishlinsky Institute for Problems in Mechanics of the Russian Academy of Sciences

Author for correspondence.
Email: chakin@ipmnet.ru
Russian Federation, Moscow, 119526

V. E. Prokhorov

Ishlinsky Institute for Problems in Mechanics of the Russian Academy of Sciences

Email: prohorov@ipmnet.ru
Russian Federation, Moscow, 119526

References

  1. abbé Nollet J.A. Recherches sur les causes particulieres des phénomènes électriques, et sur les effets nuisibles ou avantageux qu’on peut en attendre. Paris: Chez les Freres Guerin, 1974. 444 p.
  2. Ломоносов М.В. Слово о явлениях воздушных, от электрической силы происходящих. Избранные произведения. Т. 1. Естественные науки и философия. М.: Наука. 1986. С. 163–191.
  3. Zeleny J. The electrical discharge from liquid points, and a hydrostatic method of measuring the electric intensity at their surfaces // Phys. Rev. 1914. V. 3(2), P. 69–91. doi: 10.1103/PhysRev.3.69
  4. Zeleny J. On the conditions of instability of electrified drops, with applications to the electrical discharge from liquid points // Proc. Camb. Phil. Soc. 1915. V. 18(1), P. 71–83.
  5. Zeleny J. Instability of electrified liquid surfaces // Phys. Rev. 1917. V. 10(1). P. 1–6. doi: 10.1103/PhysRev.10.1
  6. Tucker N., Stanger J.J., Staiger M.P., Razzaq H., Hofman K. The history of the science and technology of electrospinning from 1600 to 1995 // J. of Eng. Fibers and Fabrics, Special iss. 2012. V. 7(2). P. 63–71. doi: 10.1177/155892501200702S10
  7. Wesdemiotis С., Williams-Pavlantos K.N., Keating A.R., McGee A.S., Bochenek C. Mass spectrometry of polymers: A tutorial review // Mass. Spec. Rev. 2023. P. 1–50. https://doi.org/10.1002/mas.21844
  8. Edgerton H.E., Hauser E.A., Tucker W.B. Studies in drop formation as revealed by the high-speed motion camera // J. Phys. Chem. 1937. V. 41(7). P. 1017–1028. https://doi.org/10.1021/j150385a012
  9. Peregrine D.H., Shoker G., Symon A. The bifurcation of liquid bridges // J. of Fluid Mech. 1990. V. 212(1). P. 25–39. doi: 10.1017/S0022112090001835
  10. Zhang X., Basaran O.A. An experimental study of dynamics of drop formation // Phys. of Fluids. 1995. V.7(6). P. 1184–1203. doi: 10.1063/1.868577
  11. van der Waals J.D. The thermodynamic theory of capillarity flow under the hypothesis of a continuous variation of density (transl. by Rowlinson J.S.) // J. Statist. Phys. 1979. V. 20. P. 197–244.
  12. Brackbill J.U., Kothe D.B., Zemach C. A new method for modeling surface tension effects on fluid // J. Comp. Phys. 1992. V. 100. P. 335–354. doi: 10.1016/0021-9991(92)90240-Y
  13. Bierbrauer F., Kapur N., Wilson M.C.T. Drop pinch-off for discrete flows from a capillary // ESAIM: Proc. 2013. V. 40. P. 16–33. http://dx.doi.org/10.1051/proc/201340002
  14. Notz P.K., Chen A.U., Basaran O.A. Satellite drops: Unexpected dynamics and change of scaling during pinch-off // Phys. Fluids. 2001. V. 13(3), P. 549–552. doi: 10.1063/1.1343906
  15. Прохоров В.Е., Чашечкин Ю.Д. Динамика отрыва одиночных капель в воздушной среде // Изв. РАН. МЖГ. 2014. № 4. С. 109–118. = Prokhorov V.E., Chashechkin Yu.D. Dynamics of separation of a single drop in air // Fluid Dyn. 2014, V. 60(8), P. 355–359. doi: 10.1134/S1028335815080054
  16. Коршунов А.И. Колебания оторвавшейся от перемычки капли воды // Изв. РАН. МЖГ. 2015. № 4. C. 139–143. = Korshunov A.I. Oscillations of a water droplet separated from the connection // Fluid Dyn. 2015. V. 50. P. 585–589. https://doi.org/10.1134/S0015462815040134
  17. Kowalewski T.A. On the separation of droplets from a liquid jet // Fluid Dyn. Res. 1996. V. 17(3), P. 121–145. doi: 10.1016/0169-5983(95)00028-3
  18. Henderson D.M., Pritchard W.G., Smolka L.B. On the pinch-off of a pendant drop of viscous fluid // Phys. Fluids. 1997. V. 9(11). P. 3188–3200. https://doi.org/10.1063/1.869435
  19. Burton J.C., Rutledge J.E., Taborek P. Fluid pinch-off in superfluid and normal // Phys. Rev. E. 2007. V. 75(3). P. 036311. doi: 10.1103/physreve.75.036311
  20. Thiґevenaz V., Saureta A. The onset of heterogeneity in the pinch-off of suspension drops // PNAS. 2022. V. 119(13). P. 2120893119. https://doi.org/10.1073/pnas.2120893119
  21. Dinic J., Sharma V. Computational analysis of self-similar capillary-driven thinning and pinch-off dynamics during dripping using the volume-of-fluid method // Phys. Fluids. 2019. V. 31. P. 021211. doi: 10.1063/1.5061715
  22. Eggers J. Nonlinear dynamics and breakup of free-surface flows // Rev. of Modern Phys. 1997. V. 69(3). P. 865–929. doi: 10.1103/RevModPhys.69.865
  23. Eggers J., Villermaux E. Physics of liquid jets // Rep. Prog. Phys. 2008. V. 71. P. 036601. doi: 10.1088/0034–4885/71/3/036601
  24. Taylor G.I. Disintegration of water drops in an electric field // Proc. Roy. Soc. London A. 1964. V. 280(1382). P. 383–397. doi: 10.1098/rspa.1964.0151
  25. Cloupeau M., Prunet-Foch B. Electrostatic spraying of liquids: Main functioning modes // J. of Electrostatics. 1990. V. 25(2). P. 165–184. doi: 10.1016/0304-3886(90)90025-q
  26. Notz P.K., Basaran O.A. Dynamics of drop formation in an electric field // J. of Colloid and Interface Sci. 1999. V. 213(1). P. 218–237. doi: 10.1006/jcis.1999.6136
  27. Eow J.S., Ghadiri M., Sharif A. Experimental studies of deformation and break-up of aqueous drops in high electric fields // Colloids and Surfaces A: Physicochem. Eng. Aspects. 2003. V. 225. P. 193–210.
  28. Vlahovska P.M. Electrohydrodynamics of drops and vesicles // Ann. Rev. of Fluid Mech. 2019. V. 51. P. 305–330. doi: 10.1146/annurev-fluid-122316050120
  29. Byers C.H., Perona J.J. Drop formation from an orifice in an electric field // AIChE J. 1988. V. 34(9). P. 1577–1580. doi: 10.1002/aic.690340922
  30. Hokmabad B.V., Sadri B., Charan M.R., Esmaeilzadeh E. An experimental investigation on hydrodynamics of charged water droplets in dielectric liquid medium in the presence of electric field // Colloids and Surfaces A: Physicochem. Eng. Aspects. 2012. V. 401. P. 17–28. https://doi.org/10.1016/j.colsurfa.2012.02.043
  31. Hokmabad B.V., Faraji S., Dizajyekan T.G., Sadri B., Esmaeilzadeh E. Electric field-assisted manipulation of liquid jet and emanated droplets // Int. J. of Multiphase Flow. 2014. V. 65. P. 127–137.
  32. Zemskov A.A., Shiryaeva S.O., Grigor’ev A.I. The theory of monodispersion of liquids by gravitational and electric fields // J. Colloid Interface Sci. 1993. V. 158(1). P. 54–63. doi: 10.1006/jcis.1993.1228
  33. Grigor’ev A.I., Shiryaeva S.O. The theoretical consideration of physical regularities of electrostatic dispersion of liquids as aerosols // J. Aerosol Sci.. 1994. V. 25(6). P. 1079–1091. doi: 10.1016/0021-8502(94)90203-8
  34. Зубарев Н.М. Формирование конических острий на поверхности жидкого металла в электрическом поле // Письма в ЖЭТФ. 2001. № 73(10). С. 613–617. = Zubarev N.M. Formation of conic cusps at the surface of liquid metal in electric field // JETP Letters. 2001. V. 73(10). P. 544–548. doi: 10.1134/1.1387524
  35. Karabut E.A., Zhuravleva E.N., Zubarev N.M., Zubarev O.V. Evolution of nonlinear perturbations for a fluid flow with a free boundary. Exact results // J. Fluid Mech. 2022. V. 953. A1. doi: 10.1017/jfm.2022.918
  36. Takamatsu T., Yamaguchi M., Katayama T. Formation of single charged drops in a non-uniform electric field // JCEJ. 1983. V.16(4). P. 267–272. https://doi.org/10.1252/jcej.16.267
  37. Зубарев Н.М. Развитие неустойчивости заряженной поверхности жидкого гелия: точные решения // Письма в ЖЭТФ. 2000. № . 71(9). C. 534–538.
  38. Thoroddsen S.T., Etoh T.G., Takehara K. High-speed imaging of drops and bubbles // Ann. Rev. of Fluid Mech. 2008. V. 40(1). P. 257–285. doi: 10.1146/annurev.fluid.40.111406.102215
  39. Чашечкин Ю.Д., Прохоров В.Е. Андросенко В.Н. Моделирование влияния электрического поля на капельные течения // Физико-химическая кинетика в газовой динамике. 2023. № 24(4). С. 1–15. doi: 10.33257/PhChGD.24.4.1057
  40. Rai P., Gautam N., Chandra H. An experimental approach of generation of micro/nano scale liquid droplets by electrohydrodynamic atomization (EHDA) process // Mater. Today: Proc. 2017. V.4(2). P. 611–620. doi: 10.1016/j.matpr.2017.01.064
  41. Jones A.R., Thong K.C. The production of charged monodisperse fuel droplets by electrical dispersion // J. Phys. D: Appl. Phys. 1971. V.4. P. 1159–1168. doi: 10.1088/0022-3727/4/8/316
  42. Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М. Гидродинамика. М.: Наука, 1986. 736 с.
  43. Chashechkin Y.D. Foundations of engineering mathematics applied for fluid flows // Axioms. 2021. V. 10(4). P. 286. https://doi.org/10.3390/axioms10040286
  44. Эйзенберг Д., Кауцман В. Структура и свойства воды. Л-д: ГИМИЗ, 1975.
  45. Teschke O., de Souza E.F. Water molecule clusters measured at water/air interfaces using atomic force microscopy // Phys. Chem. Chem. Phys. 2005. V. 7(22). P. 3856–3865.
  46. Бункин Н.Ф., Индукаев К.В., Игнатьев П.С. Cпонтанная самоорганизация газовых микропузырей в жидкости // ЖЭТФ. 2007. № 131(3). C. 539–555.
  47. Чашечкин Ю.Д., Ильиных А.Ю. Тонкая структура картины распределения вещества свободно падающей капли на поверхности и в толще принимающей жидкости в импактном режиме слияния // Физико-химическая кинетика в газовой динамике. 2023. № 24(2). С. 1043. doi: 10.33257/PhChGD.24.2.1043
  48. УИУ «ГФК ИПМех РАН: Гидрофизический комплекс для моделирования гидродинамических процессов в окружающей среде и их воздействия на подводные технические объекты, а также распространения примесей в океане и атмосфере: site http://www.ipmnet.ru/uniqequip/gfk/#equip.
  49. Borthakur M.P, Biswas G., Bandyopadhyay D. Formation of liquid drops at an orifice and dynamics of pinch-off in liquid jets // Phys. Rev. 2017. E96. P. 013115. doi: 10.1103/PhysRevE.96.013115
  50. Byers C.H., Perona J.J. Drop formation from an orifice in an electric field // AIChE J. 1988. V.34. P. 1577–1580. https://doi.org/10.1002/aic.690340922
  51. Cram L.E. A numerical model of droplet formation. Proceedings of the 1983 International conference on computational techniques and applications held in University of Sydney, Australia. Elsevier, 1984. P. 182–187.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download

Copyright (c) 2024 Russian Academy of Sciences

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».