TP-A5
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.
Publikationen
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Ouedraogo, Y., Gjonaj, E., De Gersem, H., Schöps, S.:
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2019
Rettenmaier, D. , Deising, D., Ouedraogo, Y., Gjonaj, E., De Gersem, H., Bothe, D., Tropea, C., Marschall, H.:.
Load balanced 2D and 3D adaptive mesh refinement
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2018
Ouedraogo, Y., Gjonaj, E., Weiland, T., de Gersem, H., Steinhausen, C., Lamanna, G., Weigand, B., Preusche, A., Dreizler, A.:
Modelling and Simulation of Electrically Controlled Droplet Dynamics
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2017
Ouedraogo, Y., Gjonaj, E., Weiland, T., De Gersem H., Steinhausen C., Lamanna G., Weigand, B., Preusche, A., Dreizler, A., Schremb, M.:
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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
Poster for the 10t International Symposium on Electric and Magnetic Fields, Lyon, 2016.
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.:
Modelling and simulation of electrically controlled droplet dynamics,
to appear in Scientific Computing in Electrical Engineering (SCEE 2016),
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Ouedraogo, Y., Gjonaj, E., Weiland, T., De Gersem H.:
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Visualizing Edge-Conforming Discrete Field Quantities in Electromagnetic Field Problems with Interfaces
Eingereicht für die 5th European Conference on Liquid Atomization and Spray Systems (ILASS 2013), September 2013, Chania, Griechenland
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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
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Songoro, H.; Gjonaj, E.; Weiland T.
Multiphysics Simulation of Water Droplets in Strong Electric Fields.
Kleinheubacher Tagung 2012 , 24-26 September 2012, Miltenberg ,Germany
Fröhlcke, A., Gjonaj, E., Weiland, T.
A boundary conformal discontinuous Galerkin approach for electro-quasistatic field problems on Cartesian grids
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 Hochspannungsisoliersysteme
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