Dynamics of viscoelastic droplets in complex capillaries
Viskoelastik dalmacıkların kompleks geometrili kanallardaki dimemiği
- Tez No: 397260
- Danışmanlar: DOÇ. DR. METİN MURADOĞLU
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Makine Mühendisliği, Mechanical Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2015
- Dil: İngilizce
- Üniversite: Koç Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: 92
Özet
Viskoelastik bir damlacığın kompleks geometrilerdeki hareketi ve dinamiğinin doğrudan sayısal simülasyonu için bir daldırılmış sınır yöntemi geliştirildi ve mevcut sonlu-farklar/ara-yüz izleme metoduyla birleştirildi. Bu yaklaşımda, akış ve viskoelastik model denklemleri sınırla uyumlu olmayan Kartezyen bir çözüm ağı üzerinde çözülürken sınır şartları daldırılmış sınır yöntemi kullanılarak uygulanmaktadır. Bu amaçla ilk olarak katı bölgesinde kalan ve akışkan bölgesiyle komşu olan gölge çözüm ağı hücreleri hesaplamalı geometri yöntemleriyle tespit edilmekte ve daha sonra ise bu gölge çözüm ağı hücreleriyle ilintili olan akışkan tarafındaki imaj noktaları ve akışkan-katı sınırındaki kesişim noktaları tespit edilmektedir. Gölge çözüm ağı hücrelerindeki akış büyüklükleri imaj noktalarındaki değerler ve sınır şartları kullanılarak hesaplanmaktadır. İmaj noktalarındaki akış büyüklükleri ise lineer interpolasyon kullanılarak hesaplanmaktadır. Karışamayan akışkanların ara-yüzeyi ise ayarı bir Lagrangian çözüm ağı vasıtasıyla temsil edilmektedir. Lagrangian çözüm ağı işaretleme noktalarından oluşmakta olup bu işaretleme noktaları yerel akış hızıyla hareket etmektedir. Yöntem ilk olarak tek fazlı Newtonsal bir akışkanın daralan-genişleyen bir kanaldaki basınç tahrikli akışı için test edilmiş, sonuçların ticari Fluent yazılımı sonuçlarıyla iyi bir uyum içinde olduğu gösterilmiştir. Yöntem daha sonra Newtonsal bir damlacığın başka bir Newtonsal akışkanla dolduruluş ve sinüsoidal olarak daralıp-genişleyen kanaldaki basınç tahrikli akıştaki hareket ve deformasyonu için test edilmiş ve sonuçların Tsai ve Miksis (1994) sınır-eleman yöntemi sonuçlarıyla iyi bir uyum içerisinde olduğu gösterilmiştir. Son olarak viskoelastik bir damlacığın iki farklı daralan-genişleyen kanaldaki basınç-tahrikli hareketi ve deformasyonu incelenmiştir. Viskoelastisite yalnızca damalcık sıvısı içerindedir ve viskolelastik etkiler FENE-CR modeli kullanılarak hesaba katılmıştır. Weissenberg, kapillari ve Reynolds sayışlarının etkilerini araştırmak için çok sayıda sayısal simülasyon yapılmıştır. Simülasyonlar büyük oranda sinusoidal olarak daralıp-genişleyen kanalda yapılmış ama yöntemin daha zor olan keskin kenarlı daralan-genişleyen kanallar içinde çalıştığı da ayrıca gösterilmiştir. Viskoelastisitenin damlacık dinamiği üzerindeki etkilerin son derece kompleks ve nonlineer olduğu gösterilmiştir. Damlacık deformasyonun zayıf viskoelastik durumda azalırken yüksek viskoelastisite durumunda arttığı görülmüştür. Viskoelastik etkiler en çok daralma bölgesinde görülmektedir. Damlacık deformasyonunun genel olarak kapilari sayısı, Reynolds sayısı, kanal daralma oranı ve göreceli damlacık büyüklüğü ile arttığı tespit edilmiştir.
Özet (Çeviri)
A sharp interface immersed boundary method is developed and coupled with a finite-difference/front-tracking algorithm for direct numerical simulations of viscoelastic drops in complex capillaries. In this approach, the flow equations are solved on a non- body conforming Cartesian grid and the boundary conditions are imposed along the fluid-solid interface using an immersed boundary method. For this purpose, the ghost cells are first identified through computational geometry operations in the preprocessing stage and then employed to impose the boundary conditions on the solid boundary using the image point methodology at each time step. The method incorporates bilinear interpolation to maintain the overall second order spatial accuracy of the numerical method. The fluid-fluid interface is represented by a separate Lagrangian grid using a conventional front-tracking technique. The method is first validated for a single phase Newtonian fluid flow through a pressure-driven constricted channel and the results are found to be in good agreement with the results obtained using a body- conforming mesh method in the commercial Fluent software package. The method is also validated for a bubble moving through a constricted capillary tube filled with a Newtonian liquid and the results are found to be in good agreement with those of Tsai and Miksis (1994). Finally, the method is used to study the effects of viscoelasticity on drop dynamics in complex geometries. The viscoelasticity is contained only in the drop fluid and accounted for using the FENE-CR model. Extensive simulations are performed to examine the effects of various flow parameters including the Weissenberg number (Wi), the capillary number (Ca), the Reynolds number (Re) and the relative drop size (κ) on the drop deformation and dynamics. Simulations are also performed for different constriction profiles such as a sharp-edged protrusion. It is found that the viscoelasticity influences drop dynamics in a complicated and non-monotonic way: The deformation is surpassed by increasing the Weissenberg number in weakly elastic systems, however, the viscoelasticity enhances the drop deformation after a certain Weissenberg number which depends on drop size. The viscoelastic effects are more pronounced in the constriction region due to intense shearing. It is also found that drop deformation is strongly influenced by and generally increases with the capillary number, the Reynolds number, the constriction ratio and the relative drop size.
Benzer Tezler
- Numerical simulation of single and multiphase flows using incompressible smoothed particle hydrodynamics
Başlık çevirisi yok
AMIR ZAINALI
Yüksek Lisans
İngilizce
2011
Makine MühendisliğiSabancı ÜniversitesiMekatronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
YRD. DOÇ. DR. MEHMET YİLDİZ
- Ruşeym yağının nanoenkapsülasyonu ve gıdalarda kullanım olanaklarının artırılması
Nanoencapsulation of wheat germ oil and enhancing the possibility of use in food
GÖZDE KUTLU
Doktora
Türkçe
2021
Gıda MühendisliğiYıldız Teknik ÜniversitesiGıda Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. FATİH TÖRNÜK
- Effects of viscoelasticity on droplet dynamics in microfluidic systems
Viskoelastisitenin mikroakışkan sistemlerindeki damlacık dinamiği üzerindeki etkileri
MOHAMMAD NOORANIDOOST
Yüksek Lisans
İngilizce
2016
Makine MühendisliğiKoç ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. METİN MURADOĞLU
- Computational modeling of viscoelastic two-phase systems
Viskoelastik iki-fazlı sistemlerin hesaplamalı yöntemlerle modellenmesi
DAULET IZBASSAROV
Doktora
İngilizce
2016
Makine MühendisliğiKoç ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. METİN MURADOĞLU
- Combined effects of surfactant and viscoelasticity on drop dynamics
Yüzey aktif maddesi ve viskoelastisitenin damacık dinamiğine üzerindeki kombine etkileri
MOHAMMAD NABIZADEHMASHHADTOROGHI
Yüksek Lisans
İngilizce
2018
Makine MühendisliğiKoç ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. METİN MURADOĞLU