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Estudo da Atomização de Jatos Eletrohidrodinâmicos: modelação, desempenho e aplicações

Publication . Cândido, Sílvio Miguel Rodrigues; Marques, José Carlos Páscoa

Nesta tese apresenta-se primeiramente uma descrição preliminar da literatura existente sobre a formação de jatos por efeitos eletrohidrodinâmicos, usualmente referenciados como “cones de Taylor”. Este fenómeno é de carácter multifísico e tem vindo a ser estudado a fim de podermos controlar eficazmente a forma e dimensão das gotas. Contudo é necessário conhecer melhor a interação entre o campo elétrico e a dinâmica do escoamento, sendo este o propósito geral deste trabalho. A presente tese concentra-se na atomização de jatos eletrohidrodinâmicos (EHD) através de uma abordagem numérica tridimensional para investigar as instabilidades associadas a estes mesmos jatos. No âmbito desta investigação foi realizada uma validação meticulosa da implementação de equações que acoplam as equações de Navier-Stokes, responsáveis pela dinâmica dos fluidos, e as equações de Maxwell para a eletrostática. Estas validações foram realizadas em cenários específicos, tais como a deformação de gotas individuais suspensas em meio dielétrico e a formação de jatos 2D em modo axissimétrico. Em particular, a quebra destes jatos em gotas foi analisada e comparada com leis teóricas de escala e dados experimentais. Os resultados mostraram desvios inferiores a 2%. Estudos pioneiros da simulação do cone de Taylor tridimensional mostrou erros médios na morfologia da mesma ordem de grandeza. No decorrer destas investigações foram explorados métodos avançados de análise e otimização. Entre eles destaca-se a utilização da Decomposição Modal e especificamente técnicas como POD (Proper Orthogonal Decomposition) e DMD (Dynamic Mode Decomposition). Estas técnicas oferecem uma visão aprofundada das características dominantes dos jatos e das instabilidades associadas. Adicionalmente, abordagens de aprendizagem de máquina, nomeadamente Redes Neuronais Artificiais, foram exploradas com o intuito de criar “gémeos digitais” (digital twins) para otimização dos processos envolvidos na atomização de jatos EHD. Por fim, a tese propõe um novo modelo híbrido combinando o Volume of Fluid (VOF) com a técnica de Lagrangian Particle Tracking (LPT). Este modelo é sugerido como uma alternativa eficaz e rápida para cálculo numérico no contexto de eletrosprays, potenciando assim aplicações práticas na indústria e na investigação da compreensão da física destes escoamentos. Contribuindo significativamente para o campo da atomização de jatos EHD, oferecendo novas perspetivas e ferramentas para melhor compreensão e aplicação deste fenómeno.

2024-05-06Doctoral thesis

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