[en] Electrosprays are constituted of highly charged micro drops moving under the action of electrostatic forces. They are generated as a result of the breakup of a liquid jet subjected to a sufficiently strong electric field. The droplets hence generated are transported under the combined influence of the electrostatic gradient between the emitter and counterplate, the interaction with the spray charge and the aerodynamic drag force. Most of the electrospray applications involve droplet evaporation as a critical aspect in achieving their desired result. When a collection of aerosol particles move with a net velocity relative to the surrounding gas, it exerts a drag force on the gas which can cause the gas to flow. In electrosprays, this gas motion is induced by the highly charged micro-drops moving under the action of electrostatic forces. While many numerical models have neglected induced gas flow in the numerical simulations of electrosprays, experimental evidence shows that the gas speed can be significant locally. Also considering the importance it can have in droplet evaporation in volatile electrosprays, there is a need for a general methodology to include the induced gas flow caused by the droplets in current numerical models of electrospray dynamics. Furthermore, since the gas motion also influences the droplet motion, a formulation that can accurately describe these motions should be fully coupled (i.e., two-way coupled). Such improved models should be able to elucidate the influence of the induced gas flow on variables of practical importance such as the flux deposition pattern on the counterplate, plume spread, droplet number density distribution, and also in the prediction of droplet evaporation. We developed a comprehensive numerical scheme which fully couples the Lagrangian electrospray droplet dynamics with the effects of induced gasflow, Coulomb explosions, and the transport of solvent vapor as well as charge left over by vanishing droplets in volatile electrospray systems. Separate codes for the diverse phenomena were developed. These codes have been run sequentially and in an iterative way until convergence was attained for all variables. This methodology has been applied to compare the evaporation effects in three electrospray systems with solvents of different volatility: acetone, methanol and n-heptane. The droplets were injected into the three systems with unimodal and log-normal distributed diameters with a mean value of 8 μm, and a coefficient of variation of 10%. Regions of intense Coulomb explosion events in form of diagonal bands (in the 2D domain) within the spray are well captured. We observe that the vapor transport in these systems is predominantly by forced convection rather than diffusion. Highest vapor concentration is observed near the injection zone for all the three systems, which rapidly decays thereafter, both radially as well as axially. In all three cases, few or no droplets arrive at the counterplate located 3 cm down the capillary nozzle, highlighting the relevance of accounting for evaporation when simulating these systems.

[es] Los electrosprays están constituidos de microgotas altamente cargadas i en movimiento bajo la acción de fuerzas electrostáticas. Las gotas se generan como resultado de la ruptura de un chorro de líquido sometido a un campo eléctrico suficientemente fuerte. Las gotas generadas por lo tanto, son transportadas bajo la influencia combinada del gradiente electrostático entre el emisor y contraplaca, la interacción con la carga de las gotas de los alrededores y la fuerza de la resistencia aerodinámica. La mayor parte de las aplicaciones de electrosprays implican la evaporación de gotitas como un aspecto fundamental para lograr el resultado deseado. Cuando un sistema de partículas de aerosol se mueve con una velocidad neta en relación con el gas circundante, las partículas ejercen una fuerza de arrastre sobre el gas que causa que el movimiento del gas. En electrosprays, este movimiento de gas es inducido por las microgotas altamente cargadas bajo la acción de fuerzas electrostáticas. Mientras que muchos modelos numéricos no han considerado el flujo de gas inducido en las simulaciones numéricas de electrosprays, la evidencia experimental muestra que la velocidad del gas modifica el comportamiento del spray a nivel local. Considerando la incidencia que puede tener en la evaporación de gotitas en electrosprays volátiles, es evidente la necesidad de una metodología general para la simulación de la dinámica de electrosprays que incluyan este aspecto. Adicionalmente, ya que el movimiento del gas también influye en el movimiento de las gotas, la formulación debe considerar que estos movimientos están completamente acoplados (es decir, acoplados en las dos direcciones). Estos modelos más completos deberían ser capaces de dilucidar la influencia del flujo de gas inducida en las variables de importancia práctica, tales como el patrón de flujo de deposición en la contraplaca, el ensanchamiento del penacho, la distribución de densidad de número de gotas, y también en la predicción de la evaporación de las gotas. En este trabajo se ha desarrollado un esquema numérico integral que acopla completamente la dinámica de gotas electrospray de Lagrange con los efectos del flujo de gas inducido, las explosiones de Coulomb, y el transporte de vapor de disolvente, así como de la carga que dejan detrás las gotas que se desvanecen en los electrosprays volátiles. Se han desarrollado códigos diferentes para simular cada fenómeno por separado y se han ejecutado secuencialmente y de manera iterativa hasta conseguir la convergencia de todas las variables. Esta metodología se ha aplicado para comparar los efectos de evaporación en tres sistemas de electrospray con disolventes de diferente volatilidad: acetona, metanol y n-heptano. Las gotas se inyectaron en los tres sistemas con una distribución de diámetros log-normal unimodal con un valor medio de 8 µm, y un coeficiente de variación de 10%. Intensas explosiones de Coulomb se han observado dentro del spray en forma de bandas diagonales (en el dominio 2D). El transporte de vapor en estos sistemas es predominantemente por convección forzada en lugar de pura difusión. La más alta concentración de vapor se observa cerca de la zona de inyección para todos los tres sistemas, concentración que decae rápidamente a partir de entonces, en sentido tanto radial como axial. En los tres casos, pocas o ninguna gota llega a la contraplaca situada 3 cm por debajo de la boquilla capilar, poniendo en evidencia la necesidad de tener en cuenta la evaporación en la simulación de estos sistemas.