The enhancement of droplet collision by electric charges and atmospheric electric fields
Description
Abstract. The effect of electric charges and atmospheric electric fields on droplet spectrum evolution is studied numerically. Collision efficiencies for droplet pair with radii from 2 to 1024 μm and charges from −32 r2 to +32 r2 (in unit of elementary charge, droplet radius r in unit of μm) in different strength of downwards electric fields (0, 200 and 400 V/cm) is computed. It is seen that collision efficiency is increased by electric charges and fields, especially for a pair of small droplets. The evolution of cloud droplet spectrum with different initial sizes is simulated using the stochastic collection equation. Results show that the electric effect is not notable for the cloud with the initial mean droplet radius r = 15 μm or larger. For the cloud with the initial r = 9 μm, the electric charge without field could evidently accelerate large-drop formation compared to the uncharged condition, and the existence of electric fields further accelerates it. For the cloud with the initial r = 6.5 μm, it is difficult for gravitational collision to occur, and the electric field could significantly enhance the collision process. Results of this study indicate that electric charges and fields could accelerate large-drop formation in natural conditions, particularly for clouds with small droplet size.
Translated Descriptions
Translated Description (Arabic)
الملخص. يتم دراسة تأثير الشحنات الكهربائية والمجالات الكهربائية في الغلاف الجوي على تطور طيف القطرات عدديًا. يتم حساب كفاءات التصادم لزوج القطرات مع أنصاف الأقطار من 2 إلى 1024 ميكرومتر والشحنات من -32 r2 إلى +32 r2 (بوحدة الشحنة الأولية، نصف قطر القطرة r بوحدة ميكرومتر) في قوة مختلفة للمجالات الكهربائية الهابطة (0 و 200 و 400 فولت/سم). يُلاحظ أن كفاءة الاصطدام تزداد بسبب الشحنات الكهربائية والمجالات، خاصة بالنسبة لزوج من القطرات الصغيرة. تتم محاكاة تطور طيف قطرات السحب بأحجام أولية مختلفة باستخدام معادلة التجميع العشوائي. تظهر النتائج أن التأثير الكهربائي ليس ملحوظًا للسحابة مع متوسط نصف قطر القطرة الأولي r = 15 ميكرومتر أو أكبر. بالنسبة للسحابة التي يكون فيها r = 9 ميكرومتر، من الواضح أن الشحنة الكهربائية بدون مجال يمكن أن تسرع تكوين قطرة كبيرة مقارنة بالحالة غير المشحونة، ووجود المجالات الكهربائية يزيد من تسريعها. بالنسبة للسحابة التي يكون فيها r الأولي = 6.5 ميكرومتر، من الصعب حدوث الاصطدام بالجاذبية، ويمكن أن يعزز المجال الكهربائي عملية الاصطدام بشكل كبير. تشير نتائج هذه الدراسة إلى أن الشحنات والمجالات الكهربائية يمكن أن تسرع من تكوين القطرات الكبيرة في الظروف الطبيعية، خاصة بالنسبة للسحب ذات حجم القطرات الصغيرة.Translated Description (French)
Résumé. L'effet des charges électriques et des champs électriques atmosphériques sur l'évolution du spectre des gouttelettes est étudié numériquement. Les efficacités de collision pour une paire de gouttelettes avec des rayons de 2 à 1024 μm et des charges de −32 r2 à +32 r2 (en unité de charge élémentaire, rayon de gouttelette r en unité de μm) dans différentes intensités de champs électriques descendants (0, 200 et 400 V/cm) sont calculées. On constate que l'efficacité des collisions est augmentée par les charges et les champs électriques, en particulier pour une paire de petites gouttelettes. L'évolution du spectre des gouttelettes de nuages avec différentes tailles initiales est simulée à l'aide de l'équation de collecte stochastique. Les résultats montrent que l'effet électrique n'est pas notable pour le nuage avec le rayon moyen initial des gouttelettes r = 15 μm ou plus. Pour le nuage avec le r initial = 9 μm, la charge électrique sans champ pourrait évidemment accélérer la formation de grandes gouttes par rapport à l'état non chargé, et l'existence de champs électriques l'accélère davantage. Pour le nuage avec le r initial = 6,5 μm, il est difficile qu'une collision gravitationnelle se produise, et le champ électrique pourrait considérablement améliorer le processus de collision. Les résultats de cette étude indiquent que les charges et les champs électriques pourraient accélérer la formation de grosses gouttes dans des conditions naturelles, en particulier pour les nuages de petite taille.Translated Description (Spanish)
Resumen. Se estudia numéricamente el efecto de las cargas eléctricas y los campos eléctricos atmosféricos sobre la evolución del espectro de gotas. Se calculan las eficiencias de colisión para el par de gotitas con radios de 2 a 1024 μm y cargas de -32 r2 a +32 r2 (en unidad de carga elemental, radio de gotita r en unidad de μm) en diferentes intensidades de campos eléctricos descendentes (0, 200 y 400 V/cm). Se observa que la eficiencia de la colisión aumenta por las cargas eléctricas y los campos, especialmente para un par de pequeñas gotas. La evolución del espectro de gotas de la nube con diferentes tamaños iniciales se simula utilizando la ecuación de recolección estocástica. Los resultados muestran que el efecto eléctrico no es notable para la nube con el radio medio inicial de la gota r = 15 μm o mayor. Para la nube con la r = 9 μm inicial, la carga eléctrica sin campo evidentemente podría acelerar la formación de grandes gotas en comparación con la condición sin carga, y la existencia de campos eléctricos la acelera aún más. Para la nube con la r = 6.5 μm inicial, es difícil que ocurra una colisión gravitacional, y el campo eléctrico podría mejorar significativamente el proceso de colisión. Los resultados de este estudio indican que las cargas eléctricas y los campos podrían acelerar la formación de grandes gotas en condiciones naturales, particularmente para nubes con un tamaño de gota pequeño.Files
acp-21-69-2021.pdf.pdf
Files
(6.0 MB)
| Name | Size | Download all |
|---|---|---|
|
md5:d5d290d789c36553a3c06a86806f587c
|
6.0 MB | Preview Download |
Additional details
Additional titles
- Translated title (Arabic)
- تعزيز اصطدام القطرات بالشحنات الكهربائية والمجالات الكهربائية الجوية
- Translated title (French)
- L'amélioration de la collision des gouttelettes par les charges électriques et les champs électriques atmosphériques
- Translated title (Spanish)
- La mejora de la colisión de gotas por cargas eléctricas y campos eléctricos atmosféricos
Identifiers
- Other
- https://openalex.org/W4243578087
- DOI
- 10.5194/acp-2019-1140