Characterisation of electrohydrodynamic fluid accelerators comprising highly asymmetric high voltage electrode geometries

Abstract

Electrohydrodynamics (EHD) is a promising research field with several trending applications. Even though the phenomenon was first observed centuries ago, there is very little research until the middle 20th century, as the mechanisms behind it were very poorly understood. To this date, the majority of research is based on the development of empirical models and the presentation of laboratory experiments. This work begins with an extensive literature review on the phenomenon, clarifying conflicts between researchers throughout the history and listing the findings of the latest research. The literature review reveals that there are very few mathematical models describing even the most important parameters of the EHD fluid flow and most are either empirical or greatly simplified. As such, practical mathematical models for the assessment of all primary performance characteristics describing EHD fluid accelerators (Voltage Potential, Electric Field Intensity, Corona Discharge Current and Fluid Velocity) were developed and are being presented in this work. These cover all configurations where the emitter faces a plane or another identical electrode and has a cylindrical surface. For configurations where the emitter faces a plane or another identical electrode and has a spherical surface, Corona Discharge Current and Fluid Velocity models have been presented as well. Laboratory experiments and computer simulations were performed and are being thoroughly presented in Chapter 4, verifying the accuracy and usability of the developed mathematical models. The laboratory experiments were performed using two of the most popular EHD electrode configurations - wire-plane and needle-grid. Finally, the findings of this research are being summarized in the conclusion, alongside with suggestions for future research. The step-by-step development of the equipotential lines mathematical model is presented in Appendix A.

Η Ηλεκτροϋδροδυναμική (EHD) είναι ένα πολλά υποσχόμενο ερευνητικό πεδίο με αρκετές τάσεις εφαρμογών. Παρόλο που το φαινόμενο παρατηρήθηκε για πρώτη φορά πριν από αιώνες, υπάρχει πολύ λίγη έρευνα μέχρι τα μέσα του 20ου αιώνα, καθώς οι μηχανισμοί πίσω από αυτό ήταν πολύ ελάχιστα κατανοητοί. Μέχρι σήμερα, η πλειονότητα της έρευνας βασίζεται στην ανάπτυξη εμπειρικών μοντέλων και στην παρουσίαση εργαστηριακών πειραμάτων. Αυτή η εργασία ξεκινά με μια εκτενή βιβλιογραφική ανασκόπηση για το φαινόμενο, διευκρινίζοντας τις συγκρούσεις μεταξύ των ερευνητών σε όλη την ιστορία και παραθέτοντας τα ευρήματα της τελευταίας έρευνας. Η βιβλιογραφική ανασκόπηση αποκαλύπτει ότι υπάρχουν πολύ λίγα μαθηματικά μοντέλα που περιγράφουν ακόμη και τις πιο σημαντικές παραμέτρους της ροής ρευστού EHD και τα περισσότερα είναι είτε εμπειρικά είτε πολύ απλοποιημένα. Ως εκ τούτου, αναπτύχθηκαν και παρουσιάζονται σε αυτή την εργασία πρακτικά μαθηματικά μοντέλα για την αξιολόγηση όλων των πρωταρχικών χαρακτηριστικών απόδοσης που περιγράφουν επιταχυντές υγρών EHD (Δυναμικό, Ένταση Ηλεκτρικού Πεδίου, Ρεύμα Εκκένωσης Κορώνας και Ταχύτητα Ρευστού). Αυτά καλύπτουν όλες τις διαμορφώσεις όπου ο εκπομπός βλέπει ένα επίπεδο ή άλλο πανομοιότυπο ηλεκτρόδιο και έχει κυλινδρική επιφάνεια. Για διαμορφώσεις όπου ο πομπός βλέπει σε ένα επίπεδο ή άλλο πανομοιότυπο ηλεκτρόδιο και έχει σφαιρική επιφάνεια, έχουν επίσης παρουσιαστεί μοντέλα Ρεύματος Εκκένωσης Κορώνας και Ταχύτητας Ρευστού. Πραγματοποιήθηκαν εργαστηριακά πειράματα και προσομοιώσεις υπολογιστή και παρουσιάζονται διεξοδικά στο Κεφάλαιο 4, επαληθεύοντας την ακρίβεια και τη χρηστικότητα των αναπτυγμένων μαθηματικών μοντέλων. Τα εργαστηριακά πειράματα πραγματοποιήθηκαν χρησιμοποιώντας δύο από τις πιο δημοφιλείς διαμορφώσεις ηλεκτροδίων EHD - αγωγός-επιφάνεια και βελόνα-πλέγμα. Τέλος, τα ευρήματα αυτής της έρευνας συνοψίζονται στο συμπέρασμα, μαζί με προτάσεις για μελλοντική έρευνα. Η ανάπτυξη βήμα προς βήμα του μαθηματικού μοντέλου ισοδυναμικών γραμμών παρουσιάζεται στο Παράρτημα Α.