Skip to main content
SUPERVISOR
Ebrahim Shirani,Ahmad Reza Pishevar
ابراهیم شیرانی چهارسوقی (استاد راهنما) احمدرضا پیشه وراصفهانی (استاد راهنما)
 
STUDENT
Ali Nematbakhsh
علی نعمت بخش

FACULTY - DEPARTMENT

دانشکده مهندسی مکانیک
DEGREE
Master of Science (MSc)
YEAR
1385

TITLE

Numerical Modeling of Interfacial Flows Based on Level Set Method and Comparing with VOF Method
Interfacial flows include lots of problems in fluid mechanics such as, Oil industry, design of Boilers and reactors. Regarding to importance of these kinds of flows, two well-known eulerian methods named “Volume of Fluid” and “Level Set” are compared with each other completely. In order to judge against these two methods, motionless droplet and rising bubble are numerically modeled with the assistant of these two methods and the results are verified with available experimental data. By comparing these two methods, we came to this conclusion that Level set method can calculate the curvature of the interface with great accuracy. On the other hand Level set method can not satisfy the mass conservation with great accuracy. Volume of Fluid method is based on volume conservation in each fluid, therefore the mass is preserved in each phase of incompressible flows with great accuracy. On the other hand, as a result of using discrete function for modeling the interface, curvature can not be calculated with fine precision. Because of the accuracy in calculating the curvature of the interface and acceptable mass conservation in the time steps that we need for modeling our problems, Level set is used for modeling Problems such as falling droplet, rising bubble, coalescence of two Bubble and also droplet impact on a solid surface. At first falling droplet is studied for different Weber numbers, and values for Weber number is found which for them bifurcation of the droplet occur. After that rising of three dimensional axisymmetric bubbles is studied. The reasons for the deformation of the bubbles are discussed theoretically. Comparing the numerical results with available experimental data reveals the accuracy of the method. In addition the coalescence of two bubbles which is complicated phenomena in multiphase flows is numerically modeled and the results are verified by experimental data. At last by adding contact angle model to the level set code, changing the frequency of applying reinitialization equation and increasing the number of fictitious time in reinitialization equation, droplet impact on solid surface is modeled numerically. Steps of droplet impact such as advancing and recoiling are numerically captured. The main advantage of our simulation compare with previous ones is that the Level set function is not change near the contact point of solid, liquid and gas. Finally the recoiling velocity is calculated for different initial velocities and theoretical discussion is done for the reasons of these different recoiling velocities. Key Words- Two phase flows, Surface tension, Level set, VOF
جریان های با سطح مشترک بخش عمده ای از مسائل مکانیک سیالات را به خود اختصاص داده است. از نمونه کاربرد مسائل با سطح مشترک می توان به کابرد در بویلرها، راکتورها و همچنین عملیات جداسازی فراورده های نفتی اشاره نمود. در این پایان نامه با توجه به اهمیت مطالعه این نوع جریانات، دو روش مهم و متداول در حل مسائل با سطح مشترک به روش اویلری، به نام روش لول ست و کسرحجمی سیال به طور کامل مقایسه شده است. برای مقایسه ابتدا قطره ساکن و سپس حرکت حباب با استفاده از هر دو روش تحلیل شده و نتایج حل عددی هر دو روش با نتایج تجربی مقایسه شده است. با استفاده از مقایسه نحوه گسسته سازی و همچنین مطالعه بقای جرم و همچنین انحنا در تحلیل بوسیله روش کسرحجمی سیال و لول ست به این نتیجه دست یافته شدکه روش لول ست به علت استفاده از تابع پیوسته برای دنبال کردن سطح مشترک انحناهای ایجاد شده در سطح مشترک را به خوبی مدل می نماید ولی به علت عدم برپایی روش بر بقای کمیت فیزیکی، با گذشت زمان می تواند دچار خطا در رعایت بقای جرم در هر کدام از سیالات مورد بررسی گردد. روش کسرحجمی سیال به علت بر پایی بر اساس بقای حجم، بقای جرم را بخوبی در طول زمان حل رعایت می نماید ولی به علت استفاده از یک تابع گسسته برای دنبال کردن مرز مشترک، نمی تواند انحنا سطح مشترک را به خوبی مدل نماید. در ادامه به علت قدرت روش لول ست در محاسبه انحنا سطح مشترک و دقت نسبتاً مناسب روش لول ست در رعایت بقای جرم در تعداد گام های زمانی مد نظر، مسائل دیگری به کمک این روش حل گردیده است. ابتدا تاثیر عدد وبر بر روی حرکت قطره بررسی شده است و با بررسی حرکت قطره تحت اعداد وبر مختلف، مقادیری که در آنها شکست در قطره رخ می دهد، به دست آمده است. در ادامه حرکت حباب متقارن با نسبت چگالی طبیعی آب به هوا حل شده و همچنین بر روی علت تغییر شکل حباب در حین حرکت تحت اثر نیروی شناوری به طریق نظری بحث گردیده است و نتایج حل عددی با نتایج تجربی مقایسه شده است. مقایسه حل عددی با نتایج تجربی حاکی از دقت کامل تحلیل عددی دارد. در ادامه مسئله ترکیب حباب که از مسائل پیچیده جریانات با سطح مشترک می باشد، به کمک روش لول ست حل شده و نتایج حل عددی با نتایج تجربی مقایسه شده است. در انتها با اضافه کردن تاثیرات آب دوستی و آب گریزی به روش لول ست و همچنین افزایش فرکانس اعمال تابع دوباره مقدار ده بر معادله لول ست و افزایش زمان مجازی حل معادله دوباره مقدارده برای به دست آوردن پایداری بیشتر و استفاده از تابع هموارساز مناسب، مسئله برخورد قطره بر روی سطح جامد با در نظر گرفتن فاز هوا تحلیل شده است و تمام مراحل برخورد اعم از گستردگی و جمع شدن مجدد قطره تحت اثر نیروی کشش سطحی مشاهده گردیده است. حسن روش حاضر نسبت به روش های مشابه عدم تغییر موضعی تابع لول ست در محل تقاطع سطوح جامد، مایع و گاز می باشد. سرعت برگشت قطره روی سطح جامد در اثر کشش سطحی تحت اثر سرعت های اولیه برخورد متفاوت به دست آمده و بر روی علت این تغییر سرعت بحث نظری صورت گرفته است. کلمات کلیدی : جریان با سطح مشترک، لول ست، کسر حجمی سیال، کشش سطحی

ارتقاء امنیت وب با وف بومی