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Simulation der mechanischen Verformung und Bewegung von Tropfen unter Einwirkung hoher elektrischer Felder

Beschreibung

Gegenstand der Untersuchung sind tropfendynamische Prozesse, welche unter Einwirkung starker elektrischer Felder stattfinden. Diese Prozesse spielen eine wichtige Rolle in vielen technischen Anwendungen. Ein Beispiel sind Regentropfen auf der Oberfläche von Hochspannungsableitern in elektrischen Energieversorgungsnetzen. Die fortdauernde Oszillationsbewegung dieser Tropfen – getrieben durch das Hochspannungsfeld der Anlage – verursacht elektrische Teilentladungen, die die Oberfläche des Ableiters schädigen und dadurch sein Lebensdauer verkürzen. Ein weiteres Beispiel ist die Tropfenerzeugung in Tropfenkammern mit extremen atmosphärischen Bedingungen. In elektrisch gesteuerten „drop-on-demand“-Generatoren werden aus einer Kapillare tretende Mikrotröpfchen mithilfe eines starken elektrischen Spannungspulses abgelöst. Es ist dadurch möglich das Volumen und die zeitliche Abfolge der erzeugten Tropfen sehr genau einzustellen. Vielfältigen Einsatz in der Praxis findet auch die Zerstäubung von Flüssigkeiten mit Hilfe von elektrischen Feldern. Der Vorgang der Ausbildung feiner Jets an der Oberfläche leitfähiger Flüssigkeiten, die äußeren elektrischen Feldern ausgesetzt werden, mit anschießendem Zerfall in einer geladenen Tröpfchenwolke (Elektrospray) ist bis heute nicht endgültig verstanden.

In diesem Projekt werden numerische Verfahren zur gekoppelten Simulation von Tropfendynamik und elektroquasistatischen Feldern entwickelt. Das strömungsmechanische Teilproblem wird mit Hilfe des Softwarepakets OpenFOAM gelöst. Für die Berechnung transienter elektrischer Felder (und der entsprechenden elektrischen Kräfte) wird sowohl ein „sharp interface“ Ansatz auf unstrukturierten, dynamisch angepassten Rechengittern als auch ein Phasenfeld-Approximationsansatz mit geeigneter Materialmittelung an der Phasengrenze eingesetzt. Eine numerische Kopplungsschnittstelle zwischen den elektrischen und strömungsdynamischen Teilproblemen sorgt für zeitliche Synchronisation, den Austausch von Simulationsdaten und für die dynamische Anpassung des Rechengitters. Das oszillierende Tropfen im Hochspannungsfeld, der Tropfengenerator und die Erzeugung von Elektrosprays dienen als wichtigste Leitbeispiele für den Einsatz des Simulationswerkzeugs. Mit Hilfe von numerischen Simulationen soll ein besseres Verständnis insbesondere für diese drei Prozesse entwickelt werden. Dabei werden stets experimentelle Messdaten und Versuche, die in angrenzenden Teilprojekten des SFB-Vorhabens bearbeitet werden, zur Verifizierung der Simulationsergebnisse herangezogen.

Team

Team A5

PD Dr. rer. nat. habil. Erion Gjonaj

PD Dr. rer. nat. habil. Erion Gjonaj

TP-Leiter A5 Diese E-Mail-Adresse ist vor Spambots geschützt! Zur Anzeige muss JavaScript eingeschaltet sein! +49 6151 16-2561
 Prof. Dr. rer. nat. Sebastian Schöps

Prof. Dr. rer. nat. Sebastian Schöps

TP-Leiter A5 Diese E-Mail-Adresse ist vor Spambots geschützt! Zur Anzeige muss JavaScript eingeschaltet sein! +49 6151 16-24409
Yun Ouédraogo, M.Sc.

Yun Ouédraogo, M.Sc.

A5 Diese E-Mail-Adresse ist vor Spambots geschützt! Zur Anzeige muss JavaScript eingeschaltet sein! +49 6151 16-2461
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Publikationen

2017

Ouedraogo, Y., Gjonaj, E., Weiland, T., De Gersem H., Steinhausen C., Lamanna G., Weigand, B., Preusche, A., Dreizler, A., Schremb, M.:
Electrohydrodynamic simulation of electrically controlled droplet generation.
Int. J. of Mass and Fluid Flow, Vol. 64 (2017), pp. 120-128.

Richter, C., Schöps, S., Clemens, M.:
GPU Accelerated Explicit Time Integration Methods for Electro-Quasistatic Fields.
Appears in IEEE Trans. Magn. 2017, https://arxiv.org/abs/1612.09447.

Ouedraogo, Y., Gjonaj, E., Weiland, T., De Gersem H., Steinhausen C., Lamanna G., Weigand, B., Preusche, A., Dreizler, A.:
Modeling of an electrically driven droplet generator.
COUPLED PROBLEMS 2017, 12-14 June, Rhodes Island, Greece, 12 pages.

Ouedraogo, Y., Gjonaj, E., Weiland, T., De Gersem H., Steinhausen C., Lamanna G., Weigand, B., Preusche, A., Dreizler:
A convection-conduction model for electrohydrodynamic simulations,
In: Proc. of COMPUMAG, June 18-22, 2017, Daejeon, Korea.

2016

Yun Ouedraogo, Erion Gjonaj, Herbert De Gersem, Thomas Weiland.
Coupled Simulations of Electrically Driven Droplet Generation
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Sharanya, V.; Raja Sekhar, G. P.; Rohde, Christian;
Bed of polydisperse viscous spherical drops under thermocapillary effects.
Z. Angew. Math. Phys. 67 (2016), no. 4, 67:101.

Ouedraogo, Y., Gjonaj, E., Weiland, T., De Gersem H., Steinhausen C., Lamanna G., Weigand, B., Preusche, A., Dreizler, A.:
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Richter, C., Schöps, S., Dutiné, J.S., Schreiber, R. and Clemens, R.:
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2015

Songoro, H.:
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2013

Karch, G.K., Sadlo, F., Songoro, H., Gjonaj, E., Weiland, T., Ertl, T.
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Eingereicht für die 5th European Conference on Liquid Atomization and Spray Systems (ILASS 2013), September 2013, Chania, Griechenland

Songoro, H., Nazemi, M.H., Gjonaj, E., Hinrichsen, V., Weiland, T.:
Water droplet oscillation on the hydro-phobic surface of polymeric insulators under AC electric field stress.
18th International Symposium on High Voltage Engineering (ISH 2013), August 2013, Seoul, Korea, 6 pages.

Nazemi, M.H., Hinrichsen, V., Gjonaj, E.
Investigations on partial discharges of polymeric insulators in the presence of oscillating water droplets on the surface.
ETG-Fachbericht, Vol. 140: Grenzflächen in elektrischen Isoliersystemen, Dresden (2013), 6 pages

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A boundary conformal Discontinous Galerkin approach for electro-quasistatic problems
Bastiaan Michielsen (Eds.) and Jean-René Poirier (Eds.), Scientific Computing in Electrical Engineering (SCEE 2010): The European Consortium for Mathematics in Industry, 16 (2012), 153-161, Springer-Verlag, Berlin/Heidelberg

Songoro, H.; Gjonaj, E.; Weiland T.
Computational modeling of water droplet deformations in strong electric fields.
International Conference on Electromagnetics in Advanced Applications (ICEAA 2012), Cape Town, South Africa(2012), 333-336

Songoro, H.; Gjonaj, E.; Weiland T.
Multiphysics Simulation of Water Droplets in Strong Electric Fields.
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Int. J. Comput. Sci. Eng. Juli 2012

Fröhlke, A., Gjonaj, E., Weiland, T.
A boundary conformal Discontinuous Galerkin approach for transient electro-quasistatic problems with moving boundaries
International Conference on Electromagnetics in Advanced Applications (ICEAA 2012), Cape Town, South Africa (2012), 606-609

2011

Songoro, H.; Gjonaj, E.; Weiland, T.
Numerical Simulation of Water Droplets in presence of Strong Electric Fields.
International Conference on Electromagnetics in Advanced Applications (ICEAA 2011), Torino, Italy (2011), 504-507

Weiland, T.; Denz, F.; Songoro, H.; Gjonaj, E.; Koch, S.
Numerical Methods for Field Computation - Basics and specific problems in High Voltage applications.
Submitted to Workshop Feldsteuernde Isoliersysteme - Energie Technische Gesellschaft 2011

Songoro, H.; Gjonaj, E.; Weiland T.
Numerical Simulation of Water Droplets in presence of Strong Electric Fields.
Workshop on Advances in Electromagnetic Research, 20.-26. August 2011, Riezlern, Österreich

Weiland, T., Gjonaj, E., Koch, S.
Elektrische, thermische und mechanische Simulationen für Hochspan- nungsisoliersysteme
ETG-Fachbericht 131 zum Workshop „Feldsteuernde Isoliersysteme“, Darmstadt(2011), 47-55, VDE Verlag, Berlin, Offenbach

Classen, C., Gjonaj, E., Roemer, U., Schuhmann, R., Weiland, T.
Modeling of field singularities at dielectric edges using grid based methods
Adv. Radio Sci. 9 (2011), 39-44

Fröhlcke, A.; Songoro, H.; Gjonaj, E.; Weiland, T.
Modeling and simulation of electric field problems with moving boundaries
2nd International Conference on Computational Engineering (ICCE 2011), Oktober 2011, Darmstadt

Mittwoch, November 13, 2019