SUPERVISOR
Ahmad Reza Pishevar,Seyed saeed Mortazavi
احمدرضا پیشه وراصفهانی (استاد مشاور) سیدسعید مرتضوی راوری (استاد راهنما)
STUDENT
Meghdad Razizadeh
مقداد رضی زاده
FACULTY - DEPARTMENT
دانشکده مهندسی مکانیک
DEGREE
Master of Science (MSc)
YEAR
1392
TITLE
A Numerical Study of Coalescence and Breakup of Droplets Using a Front-Tracking Method
Multiphase and Interfacial flows have many applications in science and industries. In these flows, there are generally a free surface between different phases, where, there is surface tension that is physically important, and it is critical to find its value prescicely.Therefore, the main problem in these flows is to find the exact location of the interface between different phases and calculate the surface tension. In the field of direct numerical simulation, Front-Tracking method, uses a lagrangian grid which moves with the interface and the marker function is reconstructed by the location of the moving grid or front. By using this approach the numerical diffusion is removed and the location of each phase can be found with more precision. However, there are some drawbacks for this method which mainly refer to the complexities in using a separate computational grid for the interface and changing the topology of the front in case of coalescence and breakup. In this research, a new topology changing alghorithm is developed and used to simulate two physical examples in breakup of droplets in shear flow and droplets collision. There are three main advantages for this new alghorthm. Firstly, it changes the toplogy of the fronts globally which means doing all the operations at each step on all the elements of the all interfaces. Secondly, it can control the exact time of the breakup and coalescene by using a distance parameter as a criteria for starting the operations. Finally, it can handle both thin films that rupture or thin threads that snap. Deformation phenomenon and drops breakup in shear flow were studied using Front-Tracking method. At first, drop deformation in shear flow was studied in Stokes regime and was compared with experimental and numerical data. Break-up simulation was first carried out in Stokes regime. To validate the method performance and topology changing algorithm, results were compared with other numerical methods. The effect of the closeness parameter is analysed and it is seen that decreasing this parameter will delay the time of the topology changing. Moreover, breakup of a droplet in supercritical conditions is investigated to examine the ability of the method in simulating thin thread, satellite and subsatellite droplets and capillary instabilities. To simulate the coalescence phenomenon, a body force is used to move the droplets and the force is disappeared when droplets are close to each other. Again it is seen that by decreasing the closeness parameter the exact time of coalescence is increased. Moreover, by simulating the collision with different impact parameters and weber numbers all regimes of coalescence have been predicted. Comparing the results with the experiments in the literature, a good qualitative agreement was observed that shows the ability of the method and the present topology changing algorithm in simulating droplets coalescence. To sum up, the present method is able to simulate other multiphase flow problems that to some extent include collision and breakup of drops. Keywords: Multiphase Flows, Front-Tracking Method, Interface, Coalescence, Breakup, Topology changing alghorithm
مطالعات جریان سیالات چندفازی از اهمیت بسزایی در فنّاوری برخوردارند. بهموازات 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. روش پیشروی جبهه، یکی از مهمترین روشهای حل عددی مستقیم جریان چندفازی است که دارای مزیت دقت بالاتر و عدم تحمیل پخش عددی به مسئله است. از نکات ضعف این روش، میتوان به افزایش پیچیدگی به علت اضافه شدن یک شبکه محاسباتی جدید و دشوار بودن فرآیند تغییر در هندسهی سطوح جدایی در هنگام فرآیند جدایش و برخورد اشارهنمود. در تحقیق حاضر، یک الگوریتم جدید برای انجام فرآیند تغییر در هندسه سطح جدایی معرفی و با بررسی مثالهایی از جریان چندفازی، قدرت و توانایی این روش بررسی میشود. الگوریتم معرفیشده دارای توانایی کنترل فرآیند یکی شدن و جدایش به کمک اعمال یک فاصلهی نزدیکی است که میتواند زمان اعمال تغییر در سطوح جدایی متفاوت را تعیین کند. علاوه بر این، در الگوریتم معرفی شده، ساختار منطقی المانها که عامل اصلی مزیت روش پیشروی جبهه بر سایر روشهای مطرح هستند، حفظ شده و نیاز به بازسازی آنان از روی مقادیر شبکه اصلی وجود ندارد. همچنین در این روش، تغییرات در هر مرحله بر تمام المانهای سطوح جدایی موجود در ناحیهی حل اعمال میگردد. برای بررسی توانایی روش پیشروی جبهه به همراه الگوریتم تغییر در هندسهی سطح جدایی معرفی شده، دو مسئلهی فیزیکی بررسی شدهاند. در ابتدا تغییر شکل و شکست یک قطره در جریان برشی بررسی گردیدهاست. در این حالت، یک قطره در جریان برشی ساده بین دو دیوار موازی که در خلاف جهت یکدیگر حرکت میکنند قرارگرفته و نتایج روش تا پیش از جدایش، با مقایسه نتایج تغییر شکل و زاویه دائم قطره با نتایج سایر مراجع، اعتبارسنجی شدهاست. سپس، جدایش قطره در جریان برشی، در رژیم جریان خزشی و فرآیندهای مؤثر در این پدیده بررسی گردیده و به لحاظ کیفی انطباق خوبی با سایر مراجع مشاهده شدهاست. علاوه بر آن، عدد مویینگی بحرانی و تأثیر پارامترهای متفاوت بر آن مورد مطالعه قرارگرفتهاست. تأثیر پارامتر فاصله نزدیکی نیز که بهعنوان یک پارامتر کنترلی در الگوریتم تغییر هندسهی سطح جدایی به مسئله اضافه شدهاست، بررسی و قدرت روش در مشاهده قطرات جانبی ریز تولیدشده در اعداد مویینگی فرابحرانی، ارزیابی شدهاست. مسئله فیزیکی مهم دیگری که برای اثبات توانایی الگوریتم معرفی شده در تحقیق حاضر در یکی کردن سطوح جدایی فازهای متفاوت بررسی شدهاست؛ مسئلهی برخورد دو قطره است. در این حالت، دو قطره با یک نیروی حجمی که با نزدیک شدن قطرات به تدریج کاهش مییابد، به یکدیگر نزدیک شده و برخورد میکنند. نتیجهی این برخورد میتواند یکیشدن دائم آنان و یا جدایش مجدد در اثر فرآیندهای پس از برخورد باشد. نتایج شبیهسازیها، نشاندهندهی توانایی خوب الگوریتم تغییر در هندسهی سطح جدایی معرفیشده در شبیهسازی تمامی رژیمهای برخورد قطرات شامل یکی شدن، جدایش انعکاسی، و جدایش کششی است. در پایان با انجام شبیهسازیهای متعدد، مرز بین رژیمهای گوناگون برخورد در یک حالت خاص تعیین گردیدهاست که میتواند بیانگر توانایی روش تحقیق حاضر برای تعیین مرز این رژیمها در حالات با نسبت چگالی و چسبندگی نزدیک به شرایط واقعی باشد. کلمات کلیدی: جریان سیال چندفازی، روش پیشروی جبهه، سطح جدایی، یکی شدن، جدایش قطرات، الگوریتم تغییر هندسه.