SUPERVISOR
Ahmad Reza Pishevar,Seyed saeed Mortazavi
احمدرضا پیشه وراصفهانی (استاد مشاور) سیدسعید مرتضوی راوری (استاد راهنما)
STUDENT
Seyed Amin Razavieh
سیدامین رضویه
FACULTY - DEPARTMENT
دانشکده مهندسی مکانیک
DEGREE
Master of Science (MSc)
YEAR
1389
TITLE
Numerical Simulation of Drops in a Shear Flow under Gravity
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 and polymer processing. The lateral migration of deformable particles in shear flows has been the subject of many investigations. The motion of deformable drops suspended in a linear shear flow at non-zero Reynolds numbers is studied by numerical simulations in two dimensions. In this study the full Navier-Stokes equations are solved by a finite difference/front tracking method. A drop migrates to an equilibrium position in a horizontal shear flow. In this part, effects of non-dimensional parameters such as Particle Reynolds number, Gravity Reynolds number, density ratio, viscosity ratio, drop size and capillary number are investigated. It was found that a drop, which in the absence of shear would settle to the bottom of the channel, is actually lifted and obtains an equilibrium position away from the channel floor when the Reynolds number is large enough. It is expected that at very high shear rates, drops with high density ratios would suspend in the flow. As the capillary number, the Reynolds number, viscosity ratio or drop size decreases, the equilibrium position moves closer to bottom of channel. The drop velocity is observed to increase with increasing capillary number, viscosity ratio and Reynolds number. The drops are more deformed with increasing the capillary number. To validate the present calculations, some typical results are compared with the available predictions, which confirm that the present approach is reliable in predicting the drop migration. In second part, we investigated the effects of non-dimensional parameters such as bulk Reynolds number, gravity Reynolds number and density ratio on the motion of suspension of buoyant drops in a shear flow. It is observed that under some conditions, flow experiences solid-like or fluid-like behavior and the transition between these two behaviors are numerically investigated. As the bulk Reynolds number decreases or the gravity Reynolds number and density ratio increases, average equilibrium position of drops moves closer to bottom of channel. It is observed that average drops density distribution in upper half of channel increases by increasing the bulk Reynolds number or decreasing the gravity Reynolds number and density ratio. The fluctuation energy of the flow across the channel (suspension temperature) was also computed for different flow conditions. It is of interest because it is closely related to the diffusivity of suspension. The fluctuation energy is lowest near the channel floor where flow experiences solid-like behavior and the interaction between drops is weak. It increases as one moves away from the channel floor and becomes maximum in the region that flow experiences fluid-like behavior. It vanishes in the wall regions where no drops are present. The fluctuation energy decreases with Capillary number since the interaction between drops gets weaker as the Capillary number is raised. Keywords: Equilibrium position, Shear flow, Reynolds number, Gravity Reynolds number, Capillary number, Density ratio, Viscosity ratio, Suspension of buoyant drops, Fluctuation energy.
حرکت قطرات شناور در سیال دارای دامنه ای وسیع از کاربردها است که شامل جریان آب و نفت در خط لوله، بازیابی نفت از سنگ های متخلخل و تهیه پلیمرها می باشد. پیش بینی رئولوژی جریان و حرکت ریزساختارها برای این کاربردها ضروری است. مهاجرت جانبی ذرات شکل پذیردر جریان برشی موضوع بسیاری ازتحقیقات بوده است. مهاجرت جانبی اجسام شناور در سیال دیگر در فرآیندهای انتقالی بسیار مهم است، که جرم، مومنتوم و انرژی تغییر می کند. در این رساله، مطالعه عددی سوسپانسیون قطرات در جریان برشی ساده و در اعداد رینولدز محدود در یک دامنه پریودیک صورت گرفته است. این روش بر مبنای نوشتن یک دسته معادله بقا برای کل دامنه حل است، به گونه ای که هر فاز به صورت یک سیال با خواص مادی متغیر رفتار می کند. روش توصیف شده و به کار رفته در این رساله، ترکیبی از تکنیک های تسخیر و ردیابی قطره است. یک شبکه ساکن منظم برای جریان سیال استفاده می شود اما سطح مشترک با استفاده از یک شبکه مجزا با بعد پایین تر ردیابی می شود. مهاجرت جانبی تک قطره شناور در جریان برشی به صورت عددی در حالت دوبعدی بررسی شده است. در حرکت تک قطره، تاثیر اعداد بدون بعد رینولدزکانال، رینولدز گرانش، نسبت چگالی، نسبت چسبندگی، اندازه قطره و کپیلاری بر پارامترهای جریان نظیر مسیر حرکت قطره، سرعت قطره، سیرکولاسیون و تغییر شکل قطره بررسی شده است. با افزایش عدد رینولدز نیروی لیفت اعمالی به قطرات افزایش یافته و قطرات به مکان های تعادلی بالاتری در جریان منتقل می شوند و همچنین قطرات سنگین تر به علت وزن بیشتر نسبت به قطرات سبک تر به مکان های پایین تر در جریان انتقال می یابند. در یک عدد رینولدز قطره ثابت با افزایش نسبت چسبندگی، قطرات به مکان های تعادلی بالاتری در جریان منتقل می شوند و همچنین در یک نسبت چسبندگی ثابت با افزایش عدد رینولدز قطره، ارتفاع مکان تعادل قطرات نیز افزایش می یابد. در یک عدد رینولدز قطره ثابت با افزایش عدد کپیلاری یا اندازه قطره، قطرات به مکان های تعادلی بالاتری در جریان منتقل می شوند و نسبت به دیواره فاصله می گیرند. مقایسه نتایج حاصل از شبیه سازی با تحقیقات قبل، تطابق بسیار خوبی بین نتایج را نشان می دهد. در قسمت دوم اثر اعداد بدون بعد مختلف روی سوسپانسیون قطرات شناور در جریان برشی بررسی شده است و متوسط مکان قطرات در کانال، انرژی اغتشاشی جریان و توزیع قطرات در کانال در اعداد رینولدز کانال، رینولدز گرانش ونسبت چگالی های مختلف آورده شده است. در این بررسی سعی شده است تا مشخص شود چه موقع جریان رفتار سیال گونه و چه موقع رفتار جامدگونه از خود نشان می دهد. با افزایش عدد رینولدز کانال نرخ برش افزایش یافته و اثر جریان روی مناطق سکون افزایش می یابد. قسمت هایی از جریان که قبلا شرایط شبه سکون را تجربه می کردند به تدریج سرعت گرفته و وارد ناحیه سیال گونه جریان می شوند و به این ترتیب از انباشتگی قطرات در کف کانال کاسته شده و متوسط مکان تعادل قطرات در کانال افزایش می یابد. با افزایش عدد رینولدز گرانش، ارتفاعی از کانال که گذار بین حالت جامدگونه و سیال گونه اتفاق می افتد کم شده و سبب کاهش مقدار انرژی اغتشاشی در ناحیه سیال گونه جریان می شود. با افزایش نسبت چگالی، تاثیر نیروی وزن روی قطرات بیشتر شده و متوسط مکان قطرات در کانال کاهش می یابد. کلمات کلیدی: مکان تعادل، جریان برشی، عدد رینولدز، عدد رینولدز گرانش، عدد کپیلاری، نسبت چگالی، نسبت چسبندگی، سوسپانسیون قطرات شناور، انرژی اغتشاشی