Numerical investigation of the viscoelastic fluids
Viskoelastik akışkanların sayısal incelenmesi
- Tez No: 177294
- Danışmanlar: DOÇ. DR. YUSUF ULUDAĞ, PROF. DR. BÜLENT KARASÖZEN
- Tez Türü: Doktora
- Konular: Kimya Mühendisliği, Chemical Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2008
- Dil: İngilizce
- Üniversite: Orta Doğu Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Kimya Mühendisliği Bölümü
- Bilim Dalı: Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 157
Özet
Endüstride kullanılan birçok malzeme örneğin, plastik, gıda, ilaç, elektronik ve boya gibi, üretim süreci ya da akış koşullar altında viskoelastik özellik gösterirler. Bu malzemelerin, viskoelastik özellik göstermelerinden dolayı, gerilim deformasyonları ayrıca akış hidrodinamiği Newton'su akış özelliği gösteren akışkanlardan birçok yönüyle farklılıklar gösterirler. Tırmanma, ?siphoning? ve ikincil akışlar bir viskoelastik sıvının aynı akış koşulları altında Newton'su akışkandan nasıl farklılık gösterdiğini belirten bilinen özelliklerdir. Viskoelastik malzemelerin akışını içeren endüstriyel süreçler içerisinde, elastik özelliklerinden kaynaklanan karmaşık davranışlarını anlamak, daha verimli süreçlerin tasarlanmasını ve geliştirilmesini, son ürün kalitesinin arttırılmasına yardımcı olabilecektir.Bu çalışmanın temel amacı viskoelastik akışkanların sayısal çözümü için, sonlu hacimler metoduna dayalı, doğrusal olmayan diferansiyel yardımcı eşitlik modellerini kullanan ve iki boyutlu sayısal yöntem geliştirmektir. Yardımcı gerilim eşitlikleri için üç model; Oldroyd-B, Phan-Thien Tanner (PTT) and White-Metzner benimsenmiştir. Birbirleri ile kuvvetli bağlantılı durumdaki süreklilik, hız ve gerilim eşitlikleri ?SIMPLE? ve ?SIMLEC? algoritması kullanılarak çözümlenmiştir. Süreklilik eşitliliklerindeki ilave gerilim terimlerinin birbirleri ile olan bağlantısının giderildiği ?decoupled? yöntemi ile çözümlenmiştir. Süreklilik eşitlilikleri içerisindeki konveksiyon terimleri için birinci derece yaklaşım şemaları (?upwind?, ?hybrid?, ?power-law?), ikinci derece yaklaşım şeması (?central differences?) ve son olarak üçüncü derece yaklaşım şeması (?QUICK?) kullanılmıştır. Buna karşın yardımcı eşitlik modellerindeki gerilimler için ?upwind? ve ?QUICK? şemaları kullanılmıştır. Düzgün aralıklı olmayan ve ?collocated? yapıdaki ızgara sistemi akış geometrilerin çözümünde kullanılmıştır. Üç farklı test geometrisi; kanal içerisinde akış, aniden sınır koşullarının değiştiği ?stick-slip? ve kapalı kutu içerisinde akış olarak bilinen ?lid-driven cavity? ele alınmıştır.Akış alanının detaylı incelenmesi, hız ve gerilimin dağılımının incelenmesiyle gerçekleştirilmiştir. Sayısal çözümün yakınsama davranışının, reolojik modelin türüne, Reynolds sayısına, polimer katkılı viskoziteye ve ayrıca kontrol hacmi sayısına çok duyarlı olduğu bulunmuştur. Yüksek Weissenberg sayılarında, White-Metzner yardımcı diferansiyel eşitliği kullanıldığında Oldroyd-B ve PTT modellerine göre çok daha düzgün, salınım yapmayan bir çözüm elde edildiği gözlemlenmiştir. ?Lid-driven cavity? geometrisinde Newton'su ve viskoelastik akışkanların davranışları arasındaki gerilim ve ikincil girdap oluşumu vb. farklar vurgulanmıştır.Viskoelastik akış simülasyonlarına ilaveten ayrıca yüksek Reynolds sayılarında sıkıştırılamayan, yatışkın durumda, Newton'su akışkanların çözümüde sonlu hacimler metodu kullanılarak gerçekleştirildi. Basınç düzeltme eşitliği döngü sayısının çözüm üzerine olan etkisi detaylı bir şekilde tartışılarak, elde edilen sonuçlar literatürle karşılaştırıldı.
Özet (Çeviri)
Most materials used in many industries such as plastic, food, pharmaceuticals, electronics, dye, etc. exhibit viscoelastic properties under their processing or flow conditions. Due to the elasticity of such materials, deformation-stress in addition to their hydrodynamic behavior differ from simple Newtonian fluids in many important respects. Rod climbing, siphoning, secondary flows are all common examples to how a viscoelastic fluid can exhibit quite distinctive flow behavior than a Newtonian fluid would do under similar flow conditions. In industrial processes involving flow of viscoelastic materials, understanding complexities associated with the viscoelasticity can lead to both design and development of hydrodynamically efficient processes and to improved quality of the final products.In the present study, the main objective is to develop two dimensional finite volume based convergent numerical algorithm for the simulation of viscoelastic flows using nonlinear differential constitutive equations. The constitutive models adopted are Oldroyd-B, Phan-Thien Tanner (PTT) and White-Metzner models. The semi-implicit method for the pressure-linked equation (SIMPLE) and SIMPLE consistent (SIMPLEC) are used to solve the coupled continuity, momentum and constitutive equations. Extra stress terms in momentum equations are solved by decoupled strategy. The schemes to approximate the convection terms in the momentum equations adopted are first order upwind, hybrid, power-law second order central differences and finally third order quadratic upstream interpolation for convective kinematics QUICK schemes. Upwind and QUICK schemes are used in the constitutive equations for the stresses. Non-uniform collocated grid system is employed to discretize flow geometries. As test cases, three problems are considered: flow in entrance of planar channel, stick-slip and lid driven cavity flow.Detailed investigation of the flow field is carried out in terms of velocity and stress fields. It is found that range of convergence of numerical solutions is very sensitive to the type of rheological model, Reynolds number and polymer contribution of viscosity as well as mesh refinement. Use of White-Metzner constitutive differential model gives smooth, non oscillatory solutions to much higher Weissenberg number than Oldroyd-B and PTT models. Differences between the behavior of Newtonian and viscoelastic fluids for lid-driven cavity, such as the normal stress effects and secondary eddy formations, are highlighted.In addition to the viscoelastic flow simulations, steady incompressible Newtonian flow of lid-driven cavity flow at high Reynolds numbers is also solved by finite volume approach. Effect of the solution procedure of pressure correction equation cycles, which is called inner loop, on the solution is discussesed in detail and results are compared with the available data in literature.
Benzer Tezler
- Numerical investigation of isothermal and non-isothermal viscoelastic flow in lid-driven polar cavity
Kapak tahrikli eğrisel oyuklarda eş ısıl ve eş ısıl olmayan viskoelastik akışların sayısal olarak incelenmesi
HATİCE MERCAN
Doktora
İngilizce
2012
Makine MühendisliğiBoğaziçi ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. KUNT ATALIK
- Daralan genişleyen akım kesitinde newtonian olmayan akışkanın bünye denklemi parametrelerinin incelenmesi
Investigation of the material parameters in rate-type constitutive equations for viscoelastic fluids in the converged-diverged channel flow
ADNAN TOPUZ
Yüksek Lisans
Türkçe
1996
Makine MühendisliğiZonguldak Karaelmas ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
YRD. DOÇ. DR. MEHMET KOPAÇ
- Numerical investigation of polymer additive effects on the flow around immersed bodies
Polimer katkısının batırılmış cisimler etrafı akışa etkisinin sayısal olarak incelenmesi
ONUR ÇETİN
Yüksek Lisans
İngilizce
2013
Makine MühendisliğiBoğaziçi ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. KUNT ATALIK
- Computational investigation of hydrodynamics of viscoelastic fluids flowing around square cylinder and complex fluid rheology via magnetic resonance imaging
Kare kesitli silindir etrafındaki viskoelastik akış dinamiğinin sayısal olarak incelenmesi ve karmaşık akışkan reolojisinin manyetik rezonans ile görüntülenmesi
GÜLER BENGÜSU TEZEL TANRISEVER
Doktora
İngilizce
2016
Kimya MühendisliğiOrta Doğu Teknik ÜniversitesiKimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. YUSUF ULUDAĞ
DOÇ. DR. KERİM YAPICI
- Numerical investigation of blood rheology and vessel elasticity effects on hemodynamics in arteries with aneurysm
Kan reolojisi ve damar esnekliğinin anevrizmalı arterlerdeki hemodinamiğe etkilerinin sayısal olarak incelenmesi
COŞKUN BİLGİ
Yüksek Lisans
İngilizce
2019
Makine MühendisliğiBoğaziçi ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. SALİM KUNT ATALIK