Electrohydrodynamic and thermal stimulation of conductive liquid jets
Stimulations electrohydrodynamique et thermique de jets de liquide conducteur
Résumé
The work presents an experimental and theoretical study of ElectroHydroDynamic (EHD) and thermal stimulations. These stimulations produce disturbances which are amplified (capillary instability) and lead to the breaking of the jet at a well defined distance from the orifice and to the formation of calibrated drops.
EHD stimulation takes advantage of the electrostatic pressure on the conductive liquid jet induced by a variable potential applied to an electrode close to the jet. With multiple electrodes, the efficiency of the stimulation is enhanced when there is synchronization of the effects exerted by each electrode but is decreased in the desynchronization regime. With a simple sinusoidal signal, the break generates a drop and a satellite. The shape of the jet is modified by imposing a more complex excitation signal composed of two modes (the fundamental and a harmonic 2). The various break profiles have been identified and indexed according to the ratio of the relative amplitude and phase shift of the two modes. In particular, the conditions of breaking without satellite are well defined. Another type of intermittent EHD stimulation, which consists in forming an isolated drop in a continuous stream by applying an asynchronous voltage slot is also examined in detail.
Thermal excitation consists in modulating the temperature and therefore the properties of the liquid. An in-depth experimental study is presented for external thermal stimulation where a perfectly controlled variable intensity laser beam is focused on the jet surface. The absorbed light energy induces a modulation of the surface tension. It appears that this stimulation is equivalent to the stimulation EHD and allows to control in a similar way the shape of the jet. In addition, it is shown that the origin of the stimulation is the Marangoni effect (tangential surface forces at the interface). Finally, a preliminary study of the internal thermal stimulation (heating of the liquid inside the nozzle channel by an electrical resistance) indicates that it is also possible to stimulate the jet, which opens up scientific and technical perspectives.
Le travail présente une étude expérimentale et théorique des stimulations ElectroHydroDynamique (EHD) et thermique. Ces stimulations produisent des perturbations qui sont amplifiées (instabilité capillaire) et mènent à la brisure du jet à une distance bien définie de l'orifice et à la formation de gouttes calibrées.
La stimulation EHD tire parti de la pression électrostatique sur le jet de liquide conducteur induite par un potentiel variable appliqué sur une électrode proche du jet. Avec plusieurs électrodes, l'efficacité de la stimulation est renforcée lorsqu'il y a synchronisation des effets exercés par chaque électrode mais est diminuée en régime de désynchronisation. Avec un signal sinusoïdal simple, la brisure génère une goutte et un satellite. La forme du jet est modifiée en imposant un signal d'excitation plus complexe composé de deux modes (le fondamental et un harmonique 2). Les divers profils de brisure ont été identifiés et répertoriés en fonction du rapport de l'amplitude et du déphasage relatifs des deux modes. En particulier, les conditions de brisure sans satellite sont bien délimitées. Un autre type de stimulation EHD, intermittent, qui consiste à former une goutte isolée dans un jet continu en appliquant un créneau de tension asynchrone est aussi examiné en détail.
L'excitation thermique consiste à moduler la température et donc les propriétés du liquide. Une étude expérimentale approfondie est présentée pour la stimulation thermique externe où un faisceau laser d'intensité variable parfaitement contrôlée est focalisé à la surface du jet. L'énergie lumineuse absorbée induit une modulation de la tension superficielle. H ressort que cette stimulation est équivalente à la stimulation EHD et permet de contrôler de façon analogue la forme du jet. De plus, il est montré que l'origine de la stimulation est l'effet Marangoni (forces de surface tangentielles à l'interface). Enfin, une étude préliminaire de la stimulation thermique interne (chauffage du liquide à l'intérieur du canal de buse par une résistance électrique) indique que l'on peut aussi stimuler le jet, ce qui ouvre des perspectives scientifiques et techniques.
Origine : Fichiers produits par l'(les) auteur(s)