电场作用下介电液体流动稳定性及转捩特性研究

Electrohydrodynamics (EHD) deals with the interaction between various fluids with the electric field. The unique feature of electric field-driven fluid motion lies in the direct conversion between the electric energy and fluid kinetic energy, which provides the basis for the efficient and intelligent use of energy. In the field of EHD, the Coulomb force driven flow is a fundamental problem, which is of great importance in understanding the interaction mechanism of the flow field with the electric field as well as the charge transport process. In this project, we consider the single-phase dielectric liquid flow between two parallel plate electrodes. By the combination of the theoretical analysis, direct numerical simulation and the experimental study, the transitions between different flow regimes are investigated and characterized, and also the route to chaos and turbulence is revealed. In addition, particular attention is paid to the charge transport in the turbulent flow regime. The obtained results can provide a deep understanding and big picture about the current-voltage characteristics of some typical dielectric liquids. Besides, the mathematical model used in this project simultaneously considers two sources of free charges and the effects of a wide range of the electric field, which is closer to the real physical situation. Therefore, the project can enrich the research content of the nonlinear dynamics in the field of fluid dynamics, at the same time provides some theoretical basis for practical and innovative applications of EHD.

电流体动力学研究电场与不同流体介质之间相互作用。电场驱动流体运动本质在于电能和流体动能的直接转换，这为能量的高效和智能利用提供了基础。库伦力驱动电对流问题是电流体力学中的最基础问题之一。该问题对理解流场-电场的相互作用机理以及电荷的输运过程具有重要意义。本项目以平行平板电极间单相介电液体流动为研究对象，拟采用实验研究、直接数值模拟和理论分析相结合的方法，研究该电流动系统从静止到湍流的完整路径和转捩特性，尤其关注湍流区的电荷输运。所获得结果可帮助人们更加深入地理解典型介电液体的电流-电压特性曲线。本项目依据的数理模型考虑了电荷的两种产生机制和大范围内电场的影响，更加接近实际工况。因此，该项目既丰富了非线性动力学在流体动力学领域的研究内容，也为电流体动力学的实际和创新性应用提供理论基础。

本项目以高压直流电场驱动单相介电液体电对流为研究对象，结合实验研究、数值模拟和理论分析来揭示流动从层流发展到湍流的路径，加深电流-电压（I-V） 曲线的理解。创新点包括：(1)拓展已有研究到有限振幅区外，确定电对流从静止到湍流的完整路径和转捩特性；(2)拟拓展已有只考虑单一电荷产生机制的研究到同时考虑两种机制，从而突破了已有研究对应的电导率范围和电压范围的严格限制。.重要结果包括：(1)完善了有限体积法和格子Boltzmann方法在单相和多相电流体领域数值模拟中的应用，基于开源平台OpenFOAM发展了传导-注入模型电对流算法，并拓展耦合温度场以及多相问题; (2) 搭建了实验平台，实现了I-V曲线、流场和温度场的同步测量，通过实验研究了针-板结构电羽流及其强化传热、不同电极结构（包括平行平板、多线-板、圆环-板、翅片-板等）电对流和固-液相变传热流动和传热特性; (3) 结合线性稳定性分析和非线性动力分析方法（相空间、分数维、最大Lyapunov指数等），基于数值解确定了典型电极结构（包括平行平板和同心、偏心圆环）电对流和电热对流系统从稳态层流途径非线性振荡失稳并最终进入确定性混沌状态的过程，揭示了其中存在的丰富动力学行为特征及传热特性。.项目执行过程中发表学术论文38篇（包括期刊和会议全文论文，均标准基金号）、会议摘要４篇、软件著作权１项、专利１项。38篇学术论文中以第一基金号标注英文SCI期刊论文１8篇（其中１7篇项目负责人为第一或者通讯作者），中文期刊论文５篇，国际会议论文３篇，以第二或者第三基金号标注英文期刊论文３篇。代表性的成果发表在Physical Review E (2篇)、Physical Review Fluids(2篇)、Physics of Fluids (5篇)、International Journal of Heat and Mass Transfer (3篇)、《力学学报》、《中国科学》、《工程热物理学报》等。.总体而言，该项目的既丰富了计算和实验流体力学、非线性动力学在流体动力学领域的研究内容，也可为电流体动力学的在强化传热、流动控制等应用提供理论基础。项目执行完成了全部的既定目标，取得了较为丰富的成果。