Skip to main content
SUPERVISOR
Ahmad Reza Pishevar,Seyed saeed Mortazavi
احمدرضا پیشه وراصفهانی (استاد مشاور) سیدسعید مرتضوی راوری (استاد راهنما)
 
STUDENT
Majid Ahmadi Khosroabadi
مجید احمدی خسروآبادی

FACULTY - DEPARTMENT

دانشکده مهندسی مکانیک
DEGREE
Master of Science (MSc)
YEAR
1391

TITLE

Numerical Study of Nonlinear Behavior of a Sheared Immiscible Fluid Interface
Kelvin-Helmholtz instability at the interface between two separate fluids that move in two opposite directions is considered. In the simplest condition, two similar inviscid fluids with a non-rotary flow are considered on both sides. In this project, Kelvin-Helmholtz instability has been studied for the interface between two non-mixing fluids and different densities. Dimensionless parameters in this problem are Weber number and Reynolds number for studying the effect of surface tension and viscosity respectively. Numerical simulations were performed using a finite difference/Front tracking method. The behavior of the interface is studied at different flow conditions. Specifically, the spreading of an applied disturbance wave on the interface is studied. The probability of drop formation is investigated in the flow. In order to analyze the problem and develop a desirable computer code, a rectangular domain with periodic horizontal boundary conditions and rigid moving walls in its upper and lower parts are considered. Numerical method used for the computations presented here is based on writing one set of equations for the entire computational domain. The momentum equation is discretized on a regular staggered grid using second-order central differences for the spatial derivatives and a second-order predictor–corrector time integration scheme. The continuity equation, when combined with the momentum equation results in a pressure equation that is not separable as for homogeneous flow and is solved by a multi-grid method. The interface development between two fluids can be determined by the velocity difference, surface tension, density, and the viscosity of fluids. When the viscosities are adequately small, it is expected that the initial growth rate is predictable by the linear stability analysis of inviscid fluids. Several simulations of the two-dimensional Kelvin– Helmholtz instability of immiscible fluids are done. The Reynolds numbers selected are sufficiently high so that the initial instability is well predicted by inviscid linear stability theory. It can be easily noticed that when we consider large Weber numbers, the initial disturbance grows rapidly. It has been observed that as the Weber number increases, the wave grows more rapidly, and the fluids grow into each other in a symmetric way for unity density ratio due to low surface tension. For density ratios more than one, we can see asymmetric penetration in the flows. If the lower flow retains a higher Reynolds number, due to the reduction of its viscosity, it is noticed that the lower fluid penetrates into the upper fluid, and there is an asymmetry in the flow. In this research, it is attempted to find the condition where the interface would create discrete zones (drops). In all conditions that was explored here, this phenomenon is not observed for Weber numbers lower than 4. In other words, drop formation does not occur for Weber numbers below 4. For Weber numbers around 6 (5 to 7), the interface is capable to form drops, and release it into the other fluid. At larger Weber numbers (larger than 7), the growth rate of the interface is like fingers. These fingers or filaments form in the heavier fluid and release in the lighter fluid. Ultimately, the effects of surface tension and viscosity on the development of the interface have been discussed. Key Words: Kelvin-Helmholtz Instability, Two-Phase Flow, Shear Flow, Surface Tension, Drop.
ناپایداری کلوین هلمهولتز در سطح مشترک دو سیال جدا که در دو جهت مخالف بر روی هم حرکت می‌کنند، یکی از مسائل کلاسیک مکانیک سیالات است. در ساده‌ترین حالت آن، دو سیال مشابه غیر‌لزج و با جریان غیرچرخشی در دو طرف سطح مشترک دو جریان در‌نظر گرفته می‌شوند. در این پژوهش، ناپایداری کلوین هلمولتز برای سطح مشترک دو سیال غیرقابل‌اختلاط با چگالی‌های یکسان و متفاوت، و با درنظرگرفتن اثرات کشش سطح و لزجت دو سیال بررسی و رفتار سطح مشترک در شرایط مختلف مطالعه شده است. شرایط مختلف در این مساله، بستگی به عدد وبر (جهت بررسی اثر کشش سطح)، عدد رینولدز (جهت بررسی اثر لزجت) و طول موج اغتشاشی وارد بر سطح مشترک جریان دو سیال دارد. جهت انجام این مطالعه، از کد کامپیوتری فرانت ترکینگ که برای مدل‌سازی جریانات چند‌فازی به کار می‌رود استفاده کرده و با تغییر آن جهت تعریف سطح مشترک بین دو سیال و اعمال شرایط مسال? مورد نظر، کد مطلوب ایجاد شده است. پس از ایجاد کد مطلوب، در مراحل گوناگون، شرایط مساله را تغییر داده و رفتار سطح مشترک تحت آن شرایط بررسی شده است. جهت اعتبارسنجی کد مورد نظر، نتایج با تئوری غیرلزج ناپایداری کلوین هلمهولتز مقایسه شده و نشان داده شده است که در زمانهای ابتدایی که اثرات لزجت بر جریانات کم هستند، نتایج این مطالعه به نتایج حاصل از تئوری غیرلزج میل کرده و در ادامه به علت اثرات غیرخطی در‌نظر گرفته در این مطالعه، از یکدیگر فاصله می‌گیرند. در این پژوهش نحو? رشد موج اغتشاشی اعمالی بر سطح مشترک دو جریان یکسان و غیر یکسان (با اختلاف چگالی) در زمان‌های گوناگون نشان داده‌ شده است و در مورد اثرگذاری هر یک از خواص کشش سطح بین دو جریان و لزجت بر توسع? سطح مشترک دو سیال بحث شده و نهایتا امکان تشکیل قطره از یکی از سیالات به علت گره خوردن سطح مشترک دو سیال و آزادسازی آن در جریان سیال دیگر بررسی شده است. واژه‌های کلیدی: 1- ناپایداری کلوین هلمهولتز 2- جریان دو فازی 3- فرانت ترکینگ 4- جریان برشی 5- قطره

ارتقاء امنیت وب با وف بومی