SUPERVISOR
Mahmud Ashrafizadeh,Seyed saeed Mortazavi
محمود اشرفی زاده (استاد مشاور) سیدسعید مرتضوی راوری (استاد راهنما)
STUDENT
Hamed Khalili dermani
حامد خلیلی درمنی
FACULTY - DEPARTMENT
دانشکده مهندسی مکانیک
DEGREE
Master of Science (MSc)
YEAR
1388
TITLE
Numerical Simulation of Drops in a Poiseuille Flow under Gravity Force
The motion of drops suspended in another fluid has a wide variety of practical applications. These include the flow of oil and water through pipelines, the recovery of oil through porous rock, the flow of slurries and polymer processing. The lateral migration of deformable particles in Poisseuile flow has been the subject of many investigations. The lateral migrations of immersed objects in carrier fluids are very important in traort processes, where mass, momentum and energy are exchanged. The lateralmigration of a buoyant drop in poisseuile flow is studied numerically in two dimensions.The mechanism of lateral migration for one drop was explained by Feng et al. The wall repulsion force which is known as a lubrication effect drives the drop to the channel centerline. A magnus type lift force acts on the drop which depends on drop rotation and drop slip velocity. The direction of this lift depends on whether the drop leads or laggs the flow. For density ratios less than unity the drop leads the flow and this force points towards the channel wall. When the density ratio is larger than one, the drop laggs the flow and the force is towards the channel centerline. The curvature of velocity profile also imposes a lateral force that always drives the drop to the channel wall. Besides, the inertia of flow develops a lateral force which is known as inertia lift (Saffman lift) that depends on the direction of the slip velocity. The equilibrium position of the drop is a result of balance between the aforementioned forces. It is found that the drop migrates to an equilibrium position which is close to the walls, for a slightly buoyant drop at density ratios less than one. If the drop is relatively more buoyant, the equilibrium position moves to the centerline. At density ratios greater than one the equilibrium position also moves to the centerline. The equilibrium position of drop depends on Froude number. The equilibrium position also depends on deformation and inertia of flow. When the Capillary number is raised, the equilibrium position moves away from the wall. The effect of Reynolds number onthe equilibrium position has been also studied by a few simulations. It is found that at relatively large Froude number the drop oscillate with finite amplitude inside the channel.At a relatively large Reynolds number (120) and moderate Froude number (43) drop shows oscillations across the channel and does not obtain a stable equilibrium position. The equilibrium position of drop agrees qualitatively with perturbation theories and numerical results available for solid particles. Suspensionsof buoyant drops at lowand moderate areal fractions are studied at non-zero Reynolds number in Poisseuileflow. The flow is studied as a function of the Capillary number, theReynolds number, theFroude number and density ratio .It is found that the effective viscosity decreases with Capillary number. The effective viscosity increases with Froude number at density ratios smaller than 1 andthe effective viscosity decreases with Froude number at densityratios greater than 1.The distribution and the fluctuation energy of drops across the channel are non-uniform for buoyant drops that depends on the Froude number. The density ratio also affects the distribution and fluctuation energy of drops across the channel. Effect of Reynolds number is same as Froude number. The difference between two area fractions is the degree of freedom of motion of drops in the low areal fraction. Keywords: Equilibrium position, Poisseuile flow, Density ratio, Froude number, Capillary number, suspension of buoyant drops
حرکت قطرات شناور در بازه وسیعی از کاربردهای عملی استفاده می شود. که این شامل جریان نفت و آب داخل لوله ها، بازیابی نفت درون محیط متخلخل، املاح مخلوط در آب و فرایندهای پلیمری می شود. مهاجرت جانبی ذرات شکل پذیردر جریان پواسل موضوع بسیاری ازتحقیقات بوده است.مهاجرت جانبی اجسام شناور در سیال دیگر در فرایندهای انتقالی بسیار مهم است، که جرم، مومنتوم و انرژی تغییر می کند. مهاجرت جانبی قطره شناور در جریان پواسل به صورت عددی در حالت دوبعدی بررسی شده است. مکانیزم مهاجرت تک قطره توسط فنگ و همکاران شرح داده شده است. نیروی رانش دیواره که به عنوان اثر روانکاری شناخته می شود، قطره را به سمت مرکز کانال می راند. یک نیروی لیفت مگنوس بر روی قطره بسته به چرخش قطره و سرعت لغزشی قطره عمل می کند. جهت این نیروی لیفت بستگی به این دارد که قطره از جریان جلو بیفتد یا از جریان عقب بیفتد. برای نسبت چگالی های کمتراز یک قطره از جریان جلو میفتد و این این نیرو در جهت دیواره کانال است. وقتی نسبت چگالی بیشتر از یک شود، قطره از جریان عقب میفتد و این نیرو به سمت مرکز کانال می شود. انحنای پروفیل سرعت هم یک نیروی جانبی را تحمیل می کند که همواره قطره را به سمت دیواره می راند. از طرف دیگر، اینرسی جریان یک نیروی جانبی ایجاد می کند که به عنوان لیفت اینرسی(لیفت سافمن) شناخته می شود که تابع جهت سرعت لغزشی است. مکان تعادل قطره نتیجه توازن بین نیروهای مذکور است. در نسبت چگالی های کمتر از یک برای قطره با نیروی شناوری کم،قطره به مکانی در نزدیکی دیواره مهاجرت می کند. اگر نیروی شناوری قطره خیلی زیاد باشد، مکان تعادل به سمت مرکز می رود.همچنین در نسبت چگالی های بیشتر از یک، قطره به سمت مرکز کانال مهاجرت می کند. مکان تعادل به عدد فرود بستگی دارد. همچنین مکان تعادل به تغییر شکل و اینرسی جریان هم وابسته است. وقتی که عدد کپیلاری افزایش می یابد، مکان تعادل برای هرنسبت چگالی از دیواره دور می شود. همچنین اثر عدد رینولدز بر روی مکان تعادل در چند شبیه سازی مطالعه شد. در یک عدد فرود بالا، قطره نوسانهای با دامنه محدوددرمرکز کانال دارد. در یک عدد رینولدز نسبتاً بالا (120)و یک عدد فرود متوسط (43) قطره یک نوسان در عرض کانال را نشان می دهد و به یک مکان تعادل پایدار نمی رسد. مکان تعادلقطره انطباق خوبی با نتایج عددی برای ذرات صلب دارد. سوسپانسیون قطرات شناور در دو کسرسطحی کم و متوسط در اعداد رینولدز محدود در جریان پواسل مورد مطالعه قرارگرفته است. جریان بر اساس تابعی از عدد کپیلاری، عدد رینولدز، عدد فرود و نسبت چگالی مطالعه شده است. چسبندگی مؤثر با افزایش عدد موئینگی کاهش می یابد. درهر دو کسر سطحی در نسبت چگالی های بیشتر از یک، چسبندگی مؤثر با افزایش عدد فرود افزایش می یابد ودر نسبت چگالی های کمتر از یک، با افزایش عدد فرود کاهش می یابد.اثر عدد رینولدز روی چسبندگی مؤثر مشابه اثر عدد فرود است.تفاوت این دو کسرسطحی، در درجه آزادی بیشتر برای حرکت قطره در کسرسطحی کم است. کلمات کلیدی: مکان تعادل، جریان پواسل، نسبت چگالی، عدد فرود، عدد رینولدز، عدد کپیلاری،سوسپانسیون قطرات شناور