Tesis:
Neutralization of Electrosprays by Corona Discharge
- Autor: KHALIFEHEI, Morteza
- Título: Neutralization of Electrosprays by Corona Discharge
- Fecha: 2022
- Materia: Sin materia definida
- Escuela: E.T.S.I. AERONÁUTICA Y DEL ESPACIO
- Departamentos: MECANICA DE FLUIDOS Y PROPULSIÓN AEROESPACIAL
- Acceso electrónico: https://oa.upm.es/70316/
- Director/a 1º: HIGUERA ANTÓN, Francisco
- Resumen: The electrospray is a technique to atomize electrically conducting liquids by using electric forces to overcome surface tension. The droplets of an electrospray carry a high electric charge. This may be advantageous to prevent coalescence or to guide the spray with an electric field, but causes serious problems when the spray has to be focused or has to flow near metallic surfaces (to which the charged droplets are attracted), or when the droplets evaporate and Coulomb explosions ensue. A solution to this problem is to neutralize the droplets with a corona discharge. Even though electrospraying and corona discharge processes are known well separately, their combination leads to complex situations that are not yet fully understood. The problem of the neutralization of a dilute electrospray by a corona discharge of polarity opposite to that of the spray droplets in the gap between two parallel electrodes charged to different electric potentials, is formulated and numerically analyzed in this thesis. An Eulerian description of the spray is combined with a transport equation for the corona ions, a Poisson equation for the electric potential, and mass and momentum conservation equations for the gas. Two configurations of the corona are considered. In one of them the corona is generated outside the gap and the corona ions are injected through an orifice opposite to the inlet orifice of the spray. The corona current that can be injected by these means is limited by the space charge of the ions already present in the gap. To better understand the neutralization process and the influencing variables, this study is made first for a simple one-dimensional model and then extended into a more realistic two-dimensional model. The maximum corona current increases with the voltage applied between the electrodes, and the minimum voltage required to achieve full neutralization increases with the flow rate of the electrospray. In the other configuration the corona is generated around a point electrode on the axis of the spray. The ionic current is not limited in this case. However, partially discharged droplets are attracted to the point electrode and deposit on it if neutralization is not completed before the droplets reach the electrode. ----------RESUMEN---------- El electrospray es una técnica para atomizar líquidos conductores de electricidad mediante el uso de fuerzas eléctricas para superar la tensión superficial. Las gotas de un electrospray transportan una carga eléctrica elevada. Esto puede ser ventajoso para evitar la coalescencia o para guiar el spray mediante un campo eléctrico, pero representa un problema grave cuando el spray debe concentrarse o fluir sobre superficies metálicas (que atraen a las gotas cargadas), o cuando las gotas se evaporan dando lugar a explosiones de Coulomb. Una solución de este problema es descargar las gotas, neutralizando su carga mediante una descarga de corona. A pesar de que los procesos de atomización electrostática y descarga de corona se conocen bien por separado, su combinación da lugar a situaciones complicadas que aún no se entienden completamente. En esta tesis se formula y analiza numéricamente el problema de la neutralización de un spray diluido de gotas cargadas mediante una descarga de corona de polaridad opuesta a la de las gotas en el espacio entre dos electrodos paralelos cargados a diferentes potenciales eléctricos. Se emplea una descripción euleriana del spray combinada con una ecuación de transporte para los iones de corona, una ecuación de Poisson para el potencial eléctrico, y ecuaciones de conservación de la masa y la cantidad de movimiento para el gas. Se consideran dos configuraciones de la corona. En una de ellas, la corona se genera fuera del espacio donde ocurre la neutralización, inyectando los iones por un orificio opuesto al orificio de entrada del spray. La corriente de iones que puede inyectarse de este modo está limitada por la carga espacial de los iones ya presentes en el espacio entre los electrodos. Para comprender mejor el proceso de neutralización y las variables que lo afectan, este estudio se realiza primero para un modelo unidimensional simple y se extiende después a un caso bidimensional más realista. La corriente de corona máxima aumenta con el voltaje aplicado entre los electrodos, y el voltaje mínimo requerido para lograr la neutralización completa aumenta con el caudal del spray. En la segunda configuración, la corona se genera alrededor de un electrodo puntual en el eje del spray. La corriente iónica no está limitada en este caso. Sin embargo, las gotas parcialmente descargadas son atraídas hacia el electrodo puntual y se depositan sobre él si la neutralización no se completa antes de que las gotas lo alcancen.