Skip to main content
SUPERVISOR
Ahmad Reza Pishevar,Seyed saeed Mortazavi
احمدرضا پیشه وراصفهانی (استاد مشاور) سیدسعید مرتضوی راوری (استاد راهنما)
 
STUDENT
Hamed Shahin varnosfaderani
حامد شاهین ورنوسفادرانی

FACULTY - DEPARTMENT

دانشکده مهندسی مکانیک
DEGREE
Doctor of Philosophy (PhD)
YEAR
1391

TITLE

Numerical Investigation of Liquid Jet Breakup Considering Viscosity and Density Effects in Different Breakup Regimes Using Three Dimensional Front Tracking Method
The study of multi-phase flows is vital to industrial applications. In addition to analytical and experimental studies, an active attempt to find functional numerical solutions which accurately simulate the behavior of these flows is in progress. The jet breakup regimes have been studied analytically, experimentally and numerically. The front-tracking method is one of the most important numerical methods for Direct Numerical Simulation (DNS) of multiphase flows. This method is extremely desirable due to its high accuracy and suppression of numerical diffusion on the interface (front). The main drawback to the general form of this method in following jet breakup behavior is the application of topology change to the interface after a drop breakup. To tackle this problem, in this research, a new topology change algorithm is devised. In this algorithm, close elements are located at first and then, according to the direction of the perpendiculars to elements’ surfaces, a decision is made to either break or coalesce the shared interface. An important phenomenon that has been overlooked in previous works is a comprehensive study over the size of the droplets in various regimes and the influence of non-dimensional numbers on droplets’ size distribution. In this research, different breakup regimes are simulated and the influence of non-dimensional numbers on droplets’ size and distribution is evaluated. Hence, initially, the transition from dripping to jet regime and the size of drops formed are compared with experimental and other numerical results and they show consistency. Additionally, the size of the droplets formed in the jet regime of a co-flowing immiscible fluid system agrees well with the experimental findings. The jet’s configuration for various times in dripping regime of the same fluid system is also compared with the results simulated using ANSYS Fluent. After this validation of the method and the topology change algorithm, the effect of dimensionless numbers on drop size in a co-flowing immiscible fluid system in a dripping regime is investigated. Increasing the Weber number of the inner flow or the increase of the outer flow’s capillary number causes the reduction of drop diameter. On the other hand, drop enlarges the ratio of the velocities of the inner to the outer flow is raised. Drop diameter increases as either viscosity ratio decreases or density ratio is increased. The rate of diameter change decreases for cases where either viscosity or density ratio is greater than unity. Subsequently, in order to evaluate three-dimensional effects, the breakup of a jet emanating from an elliptic orifice is investigated. Axis-switching phenomenon is observed for the co-flowing immiscible fluid system and the effect of non-dimensional numbers on an elliptic jet’s axis-switching is examined. The initial wavelength is more affected by the density ratio change than by the jet’s maximum diameter. Increasing the viscosity ratio causes an increase in jet’s maximum diameter and a decrease in initial wavelength of axis-switching. Also, in dripping regime, the effect of non-dimensional numbers on drop size formed by an elliptic jet is investigated and is compared with the size of the drops formed by a circular jet. In dripping regime, the size of drops formed by an elliptic jet is less than that formed by a circular jet. In addition, the effect of elliptic nozzle’s aspect ratio on drop size is investigated and it is revealed that the increasing the aspect ratio decreases the size of drops. Keywords: Numerical, Front-tracking, Liquid jet breakup, Dripping, Jetting, Elliptic, Topology change
مطالعات جریان سیالات چندفازی از اهمیت بسزایی در تکنولوژی برخوردارند. به موازات روش‌های حل تحلیلی و تجربی این مسائل، جستجو برای روش‌های عددی کارآمدی که توانایی شبیه‌سازی درست این فرآیندها را داشته باشند، با جدیت ادامه دارد. شکست جت در رژیم‌های مختلف به روش عددی، تجربی و تحلیلی صورت گرفته شده است. روش جبهه پیشرونده یکی از مهم‌ترین روش‌های حل عددی مستقیم جریان چندفازی است که دارای مزیت دقت بالاتر و عدم تحمیل پخش عددی به حل است. مشکل اصلی روش جبهه پیشرونده عام در فرآیند شکست جت، چگونگی تغییر توپولوژی سطح بعد از شکست قطره است. بدین منظور در این پژوهش از الگوریتم جدیدی برای تغییر توپولوژی سطح استفاده شده است. در این روش تغییر توپولوژی ابتدا المانهای نزدیک به هم شناسایی شده و براساس عمود بر سطح المان‌ها، تصمیم‌گیری برای شکست یا یکی شدن سطح مشترک اتخاذ می‌گردد. نکته‌ای که کمبود آن در کارهای گذشته به چشم می‌خورد، عدم بررسی کافی در توزیع اندازه‌ی قطرات در رژیم‌های مختلف و تاثیر اعداد بدون بعد بر توزیع اندازه قطرات می‌باشد. در این پژوهش رژیم‌های شکست متفاوت شبیه‌سازی شده و تاثیر اعداد بدون بعد بر توزیع قطرات، اندازه قطرات مورد بررسی قرار گرفته است. بدین منظور ابتدا گذار از رژیم چکه کردن به جت و اندازهی قطرات با نتایج تجربی و عددی مقایسه شد و نتایج تطابق خوبی با نتایج تجربی داشته است. همچنین نتایج اندازه‌ی قطره در رژیم جت در جریان همسوی دو سیال مخلوط نشدنی با نتایج تجربی تطابق داشته است. شکل جت در زمان‌های مختلف نیز در رژیم چکه کردن در جریان همسوی دو سیال مخلوط نشدنی با نتایج نرم‌افزار ANSYS Fluent مقایسه شده است. پس از اطمیتان از روش حل و الگوریتم تغییر توپولوژی، تاثیر اعداد بدون بعد بر اندازهی قطرات در جریان همسوی دو سیال مخلوط نشدنی در رژیم چکه کردن بررسی شده است. افزایش 20% ای عدد وبر و عدد کپیلاری در نسبت سرعت یک تاثیر تقریبا یکسانی (حدود 7/2%) بر قطر قطره داشته است ولی در نسبت سرعت دو، افزایش 20% ای عدد وبر باعث کاهش 8/0%ای قطر قطره و افزایش 20% ای عدد کپیلاری باعث کاهش 8/3% ای قطر قطره می‌شود که نشان دهنده افزایش تاثیر عدد کپیلاری نسبت به عدد وبر در نسبت سرعت دو است. در نسبت سرعت یک با دو برابر کردن نسبت چگالی، قطر قطرات 3/5 % افزایش می‌یابد ولی با دو برابر کردن نسبت چسبندگی، قطر قطرات فقط 5/1% افزایش می‌یابد.نرخ تغییرات قطر قطرات در نسبت چگالی و چسبندگی‌های بزرگتر از یک کمتر می‌شود. در قسمت بعد به دلیل بررسی اثرات سه بعدی، شکست جت از نازل بیضوی مورد بررسی قرار گرفت. در این قسمت در جریان همسوی دو سیال مخلوط نشدنی پدیدهی تغییر محور مشاهده شد و تاثیر اعداد بدون بعد بر پارامترهای تغییر محور جت بیضوی مورد بررسی قرار گرفت. تغییر نسبت چگالی، بر طول موج اولیه تاثیر بیشتری نسبت به قطر ماکزیمم جت داشته است. افزایش نسبت چسبندگی باعث افزایش قطر ماکزیمم جت و کاهش طول موج اولیه‌ی تغییر محور می‌شود. همچنین در رژیم چکه کردن تاثیر اعداد بدون بعد بر اندازهی قطرات در جت بیضوی بررسی شد و با اندازهی قطرات جت دایرهای مقایسه شد. مشاهده شد که اندازهی قطرات تشکیل شده از جت بیضوی در رژیم چکه کردن، کوچکتر از جت دایرهای است. همچنین تاثیر نسبت منظری نازل جت بیضوی بر اندازهی قطرات بررسی شد و مشاهده شد با افزایش نسبت منظری، قطرات کوچکتری تشکیل می‌شود. در انتها به بررسی رفتار جریان در اعداد رینولدز و وبر بزرگتر پرداخته شده است. در این حالت، جریان خارجی در نظر گرفته نشده است و فقط جریان داخلی وجود دارد. توزیع اندازه‌ی قطرات در اعداد بدون بعد مختلف مورد بررسی قرار گرفته است. کلمات کلیدی: روش جبهه پیشرونده، تغییر توپولوژی، شکست، چکه کردن، جت، تغییر محور، اتمیزاسیون

ارتقاء امنیت وب با وف بومی