Stochastic Modeling of Electrohydrodynamically Enhanced Drag in One-Way and Fully Coupled Turbulent Poiseuille and Couette Flow

Die gemeinsame Modellierung von hydrodynamischen und elektrokinetischen Prozessen stellt eine numerische Hürde dar, die jedoch für verschiedene Anwendungen in der Elektrochemie oder im Energieingenieurwesen kritisch ist. Der aktuelle Modellierungsbedarf für elektrohydrodynamische (EHD), turbulente Strömungen liegt in den kleinskaligen Prozessen und Skalenwechselwirkungen. Um diese Einschränkungen zu überwinden, wird ein stochastisches, eindimensionales Turbulenzmodell (ODT) genutzt. Das Modell zielt darauf ab, alle relevanten Skalen der Strömung aufzulösen, jedoch nur entlang einer gedachten Linie. Turbulente Advektion wird durch eine stochastisch gezogene Sequenz an Wirbelereignissen, welche deterministische molekular-diffusive Prozesse unterbrechen, modelliert. In dieser Studie werden zwei kanonische Strömungskonfigurationen untersucht, die verschiedene Kopplungsstrategien und physikalische Prozesse adressieren. Zuerst werden EHD-Effekte in der vertikalen Rohrströmungen eines idealen Gases variabler Dichte und einer konzentrischen, axialen Elektrode mit einem einfach gekoppelten Modellformulierung untersucht. Elektrische Felder werden durch eine Corona-Entladung und eine als konstant angenommene elektrische Ladungsverteilung vorgeschrieben. Danach werden EHD-Effekte in der turbulenten Grenzschicht mithilfe der etwas einfacher aufgebauten ebenen Couette-Strömung einer univalenten, ionischen Flüssigkeit unter Nutzung der vollständig gekoppelten Modellformulierung untersucht. Beide Anwendungsfälle demonstrieren, dass das ODT-Modell Vorhersagefähigkeit besitzt, da mehrskalige Transportprozesse aufgelöst werden können. Die gewonnen Ergebnisse legen nahe, dass das teurere vollständig gekoppelte Verfahren, im Gegensatz zum günstigeren einfach gekoppelten Verfahren, verwendet werden sollte, wenn die Relaxationszeiten der Ladungsträger signifikant größer als die mittlere advektive Zeitskala der Strömung ist.Joint predictive modeling of hydrodynamics and electrokinetics is a standing numerical challenge but crucial for various applications in electrochemistry and power engineering. The present lack in modeling of electrohydrodynamic (EHD) turbulent flows lies in the treatment of small-scale processes and scale interactions. To overcome these limitations, a stochastic one-dimensional turbulence (ODT) model is utilized. The model aims to resolve all scales of the flow, but only on a notional line-of-sight, modeling turbulent advection by a stochastically sampled sequence of eddy events that punctuate deterministic molecular diffusive advancement. In this study, two canonical flow configurations are investigated that address different coupling strategies and flow physics. First, EHD effects in a variable-density vertical pipe flow of an ideal gas with an inner concentric electrode are investigated with a one-way coupled model formulation. Electric fields are generated by means of a corona discharge and the corresponding effect of a fixed ionic charge density field. Second, in order to reduce physical complexity, EHD effects the turbulent boundary layers in plane Couette flow of an isothermal univalent ionic liquid are investigated with a fully coupled model formulation. Both application cases demonstrate that ODT has predictive capabilities due to multiscale resolution of transport processes. Present results suggest that more expensive fully than one-way coupling of electrokinetics is crucial when charge relaxation times are significantly larger than the mean advection time scale