Skip to main content
SUPERVISOR
محمود اشرفی زاده (استاد راهنما) احمدرضا رحمتی (استاد مشاور)
 
STUDENT
Amin Rahmani
امین رحمانی

FACULTY - DEPARTMENT

دانشکده مهندسی مکانیک
DEGREE
Master of Science (MSc)
YEAR
1391
The study of dynamics of multiphase and multicomponent flows is one of great importance in fluid mechanics duo to the economic significances and wide engineering applications of such flows in petroleum industry, simulation of sprays, droplets and bubbles dynamics, to name a few. Duo to this wide spectrum of scientific and industrial applications, the numerical simulation of multiphase and multicomponent fluid flows is critically important. The dynamics of such flows involves several complexities duo to the complex interaction of several physical phenomena such as surface tension, phase transition and so on, which all should be accounted for in a simulation. A quick review on the literature shows that the lattice Boltzmann method (LBM) has been successfully employed to simulate a variety of complex fluid flows such as multiphase flows in porous media. For such simulations, several lattice Boltzmann models based on the color gradient, the free-energy (FE) and the Shan-Chen (SC) model have been developed. In this thesis, we first present a brief review of the LBM. Then the algorithms of the original SC and the FE model of Zheng et al. models are presented in details. These models are then studied numerically to evaluate their performance in the modeling of several 2D immiscible two phase flows. To validate our code for the FE model, the Laplace and the square droplet tests are performed. Unlike some other existing FE models, it is shown that the present model is able to satisfy the Galilean invariance. The deformation and breakup of a droplet in a simple shear flow is also simulated by the FE model. Our results show that this model is able to simulate this problem in a wide range of the Reynolds and Capillary numbers. To investigate the performance of the SC model, the square droplet test is done. It is not possible to specify the surface tension in the original SC model, and hence, one needs to do the Laplace test to measure this property for different problems. It appears that the original SC model suffers from some limitations particularly in specifying proper values for some thermo physical properties such as the surface tension and the viscosity. Duo to this shortcoming of the SC model, it is shown that for the simulation of a droplet in a simple shear flow, it may not be possible to run the simulation for a wide range of the Reynolds and Capillary numbers. To compare the performance of the SC and the FE models, different benchmarks have also been studied. It is shown that both models produce comparable results for these benchmarks. In terms of accuracy and the stability, the FE model seems to perform better compared to the SC model. It is also observed that the FE model is able to simulate multicomponent flows with higher density ratios compared to the SC model. Keywords: Lattice Boltzmann method, Shan-Chen model, Free-energy model, Droplet deformation in simple shear flow
: مطالعه دینامیک جریان‌های چندفازی-چندجزئی به علت اهمیت اقتصادی و کاربردهای وسیع آنها، در مهندسی مثل صنایع نفت و پتروشیمی، شبیه سازی اسپری‌ها و دینامیک قطرات و حباب‌ها و غیره، یکی از مسائل پر اهمیت در مکانیک سیالات است. روش شبکه بولتزمن در سال‌های اخیر به طرز موفقیت آمیزی به منظور شبیه‌سازی گستره وسیعی از مسائل جریان چندفازی و محیط متخلخل به کار گرفته شده است. برای چنین شبیه‌سازی‌هایی، مدل‌های چندفازی متعدی بر پایه روش شبکه بولتزمن ارائه شده است، که تمام آنها به سه دسته مدل‌های گرادیان رنگ، انرژی آزاد و شان-چن تقسیم می‌شوند. در این پایان نامه، در ابتدا مرور مختصری بر روش شبکه بولتزمن انجام شده و پس از آن الگوریتم مدل شان-چن اصلی و مدل انرژی آزاد ژنگ و همکاران با جزئیات بیان شده است. این مدل‌ها به صورت عددی به منظور ارزیابی عملکرد آن‌ها در شبیه‌سازی جریان‌های دوفازی مخلوط نشدنی دو بعدی مطالعه شده‌اند. به منظور بررسی صحت برنامه عددی نوشته شده بر پایه مدل انرژی آزاد از آزمونه لاپلاس و تبدیل حباب مربعی به دایره استفاده شده است. در ادامه نشان داده شده است که بر خلاف دیگر مدل‌های انرژی آزاد مرسوم، مدل انرژی آزاد استفاده شده قادر به حذف اثرات غیرفیزیکی نامتغیر گالیله‌ای است. به‌علاوه تغییر شکل و تجزیه قطرات بر اثر جریان برشی ساده به کمک مدل انرژی آزاد شبیه‌سازی شده است که نتایج نشان می‌دهد مدل انرژی آزاد قادر است در گستره وسیعی از اعداد رینولدز و کپیلاری این مسئله را به خوبی شبیه‌سازی کند. به منظور بررسی عملکرد مدل شان-چن، آزمونه تبدیل حباب مربعی برای این مدل نیز انجام شده است، اما از آنجایی که در این مدل کشش سطحی به صورت مستقل تنظیم نمی‌شود، بایستی از آزمونه لاپلاس به منظور تعیین کشش سطحی در هر مسئله استفاده نمود. مدل شان-چن اصلی شامل محدودیت‌های بسیاری است که به صورت خاص می‌توان به محدودیت آن در تنظیم کشش سطحی و لزجت در یک بازه وسیع نام برد. با توجه به این محدودیت، نشان داده شده است که مدل شان-چن قادر نیست که در یک گستره وسیع اعداد رینولدز و کپیلاری‌، تغییر شکل قطره در معرض جریان برشی را شبیه‌سازی کند. به منظور مقایسه نتایج به دست آمده در هر دو مدل، مسائلی حل شده است که هر دو مدل نتایج مشابهی را ارائه کرده‌اند. از نظر دقت و پایداری، مدل انرژی آزاد به مراتب وضعیت بهتری نسبت به مدل شان-چن دارد. کلمات کلیدی: روش شبکه بولتزمن، جریان چند فازی، مدل شان-چن، مدل انرژی آزاد توسعه یافته، تغییر شکل قطره در معرض جریان برشی

ارتقاء امنیت وب با وف بومی