Elettroconvezione in tre dimensioni:
uno studio numerico

Davide Cerizza

L'elettroidrodinamica (EHD) studia la mutua interazione fra un campo elettrico e di un fluido contenente particelle. Uno degli effetti EHD più studiati è il fenomeno della elettroconvezione, che porta alla formazione di particolari strutture convettive in un fluido contenuto tra due elettrodi piani e paralleli, quando a questi viene applicata una differenza di potenziale.

Molti lavori in letteratura hanno tentato una descrizione di queste strutture convettive, ma la mutua influenza tra il campo elettrico e il moto del fluido è stata sempre considerata attraverso modelli molto semplificati, e trascurando i termini di diffusività associati alla densità di carica elettrica. Inoltre non si è ancora riusciti a realizzare modelli per il caso 3d.

In questo lavoro siamo riusciti a sviluppare un codice di calcolo che tiene conto in maniera completa della mutua influenza del campo di velocità del fluido e del campo elettrico esterno senza semplificazioni.

Figura 1: Caso 2d: contour per la componente orizzontale (sx) e verticale (centro) della velocità, e contour della densità di carica (dx) per una coppia di celle convettive (rolls). Il liquido è pyralene 1460, la differenza di potenziale applicata agli elettrodi è $110 V$.

I risultati ottenuti per il caso 2d (fig.1) sono in accordo con i dati esistenti in letteratura, ma la possibilità di considerare la fisica completa ha messo in evidenza i limiti dei modelli usati fino ad oggi. Per la prima volta è stato considerato l'effetto della diffusività associata alla carica, che si è rivelata avere una forte influenza sulla generazione delle strutture convettive.

Figura 2: Caso 3d: schlierenphotograph (sx) da uno studio sperimentale che mostra le celle convettive esagonali; isosuperficie della densità di carica (centro) e modulo della velocità (dx), entrambe viste dal collettore (top view). Il liquido è pyralene 1460, la differenza di potenziale applicata agli elettrodi è $110 V$.

Con una simulazione 3d (fig.2) siamo riusciti a visualizzare per la prima volta celle convettive esagonali, con il dettaglio consentito da una simulazione DNS. La struttura spaziale delle zone dove si manifesta la segregazione della carica risulta particolarmente interessante.

Figura 3: Caso 3d: isosuperficie di velocità verticale (sopra), e di densità di carica (in centro e sotto). In evidenza (sotto) le zone a forma di goccia dove la carica è quasi nulla. Il liquido è pyralene 1460, la differenza di potenziale applicata agli elettrodi è $110 V$.