Computational modeling of viscoelastic two-phase systems
Viskoelastik iki-fazlı sistemlerin hesaplamalı yöntemlerle modellenmesi
- Tez No: 418843
- Danışmanlar: DOÇ. DR. METİN MURADOĞLU
- Tez Türü: Doktora
- Konular: Makine Mühendisliği, Mechanical Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2016
- Dil: İngilizce
- Üniversite: Koç Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: 153
Özet
Bu doktora tezinde, iki fazlı viskoelastik akış sitemlerinin doğrudan sayısal simülasyonları için bir ara-yüz izleme yöntemi geliştirilmiştir. Bu yöntemde fazlardan herhangi biri veya her iki faz birlikte viskoelastik olabilmektedir. Ara-yüz izleme yönteminde bütün akış alanı için tek bir bünye denklemleri seti yazılmakta ama her bir faz bölgesinde o faza ait akışkan özellikleri kullanılmaktadır. Ayrıca ara-yüze etki eden yüzey gerilme kuvvetleri de hesaba katılmaktadır. Sayısal yöntem standart tek-fazlı ve çok-fazlı viskoelastik test problemlerine başarıyla uygulanarak doğrulanmıştır. Sayısal yöntemin çözüm ağı yakınsamasını sağladığı, fiziksel uzayda ve zamanda ikinci mertebeden doğru olduğu gösterilmiştir. Daha sonra sayısal yöntem basınç-tahrikli ani daralan ve genişleyen kılcal bir kanaldaki çok fazlı akış sistemlerine uygulanmıştır. Damlacık ve ana akışkanın viskoelastik olma durumları ayrı ayrı incelenmiştir. Weissenberg ve Reynolds sayılarının 100 mertebesine kadar ulaştığı durumlar da başarıyla modellenmiştir. Bu simülasyonlarda viskoelastik etkiler FENE-CR modeli kullanılarak hesaba katılmıştır. Akış parametrelerinin etkilerini sistematik bir şekilde incelemek amacıyla çok sayıda simülasyon yapılmıştır. Simülasyonlar sonucunda viskoelastisitenin damlacık ara-yüzeyi ile kuvvetli bir şekilde etkileştiği ve bu etkileşimin son derece karmaşık ve tek düze olmayan formada (non-monotonic) olduğu bulunmuştur. Son olarak sayısal yöntem kullanılarak viskoelastisitenin bir damlacığın katı bir yüzeye çarpması, yüzeyde yayılması ve yüzeyden geri sıçraması üzerindeki etkileri incelenmiştir. Kontak açısı dinamik bir şekilde Kistler (1993) tarafından önerilen korelasyon kullanılarak belirlenmiştir. Özellikle viskoelastik etkilerin üzerinde durulmasına karşın diğer akış parametrelerinin etkileri de incelenmiştir. Viskoelastisitenin damlacığın yüzeyden geri sıçramasını engelleyici bir etki yaptığı bilinmektedir. Fakat simülasyon sonuçları bunun tam aksine viskoelastisitenin damlacık geri sıçramasını artırdığını göstermiştir. Yakın zamanda yapılan deneysel çalışmalar sonucunda, damlacığın geri sıçramasını engelleyen esas etkinin damlacığın sıvısının viskoelastisitesinden kaynaklanmadığı ve bu etkinin esas itibarıyla polimerlerin yüzeye yapışması sonucu yüzey ıslatılabilirlik özelliklerinin değişmesi sonucu ortaya çıktığı yönünde kuvvetli delillere ulaşılmıştır. Bu hipotezi test etmek için bir model geliştirilmiş ve modelin performansı incelenmiştir. Yapılan simülasyonlar sonuçları bu hipotezi destekler mahiyettedir. Ayrıca elde edilen sonuçlar viskoelastik damlacıkların katı yüzeyden geri sıçramama davranışının yüzeyinin ıslatılabilirlik özelliklerinin değiştirilmesi suretiyle doğru bir şekilde modellenebileceğini gösterilmiştir.
Özet (Çeviri)
A front-tracking method is developed for direct numerical simulations of viscoelastic two-phase systems in which one or both phases could be viscoelastic. One set of governing equations is written for the whole computational domain and different phases are treated as a single fluid with variable material and rheological properties. The method has been validated for various benchmark single-phase and two-phase viscoelastic flow problems. The method has been demonstrated to be grid convergent with a second-order spatial accuracy for all the cases considered in this paper. Then, the method is applied to study two-phase viscoelastic systems in a pressure-driven flow in a capillary tube with a sudden contraction and expansion. The effects of viscoelasticity in drop and bulk fluids are investigated including high Weissenberg and Reynolds number cases up to Wi = 100 and Re = 100. The FENE-CR model is used to account for the fluid viscoelasticity. Extensive computations are performed to examine drop dynamics for a wide range of parameters. It is found that viscoelasticity strongly interacts with drop interface in a non-monotonic and complicated way. Finally, the method is employed to investigate the effects of viscoelasticity on dynamics of a droplet impacting and spreading on flat solid surfaces. The contact angle is determined dynamically based on the empirical correlation proposed by Kistler (1993). The emphasis is placed on the influence of viscoelasticity and extensive simulations are performed for a wide range of parameters. It has been found that the viscoelasticity favors drop rebound in contrast with the well-known anti-rebound effects of polymer additives. Some recent experimental studies have suggested that the anti-rebound effects of polymeric additives are not due to the change in the bulk properties of the drop, but rather due to the modification of wetting properties of the substrate. A simple model is developed to test this hypothesis. The computational results are found to support this hypothesis and show that the anti-rebound behavior can be captured by the modification of the surface wetting properties in the receding phase.
Benzer Tezler
- Computational inelasticity of fibrous biological tissues with a focus on viscoelasticity, damage and rupture
Başlık çevirisi yok
OSMAN GÜLTEKİN
- Viskoelastik katmanlı kompozit kabukların sonlu elemanlar ve diferansiyel kuadratür yöntemleri entegre edilmiş genetik algoritmalar ile optimal tasarımı
Optimal design of viscoelastic-layered composite shells using finite elements and differential quadrature methods integrated with genetic algorithms
UFUK KOL
Doktora
Türkçe
2024
Uçak Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiUçak ve Uzay Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. VEDAT ZİYA DOĞAN
- Pasternak zemini üzerinde ani ve hareketli yüke maruz dikdörtgen kalın kompozit bir plakanın dinamik analizi
Dynamic analaysis of a rectangular thick composite plate resting on a pasternak foundation subjected to sudden and moving load
REHA GÜRSOY
Yüksek Lisans
Türkçe
2016
Uçak Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiUçak ve Uzay Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. VEDAT ZİYA DOĞAN
- Computational modeling of airway closure
Havayolu kapanmasının sayısal modellenmesi
OĞUZHAN ERKEN
Yüksek Lisans
İngilizce
2021
Makine MühendisliğiKoç ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. METİN MURADOĞLU
- Modeling of polymer matrix composites using VBO model and finite element method formulations
Polimer matrisli kompozitlerin modellenmesi ve sonlu elemanlar yöntemi formülasyonları
ALPEREN ACAR
Doktora
İngilizce
2016
Makine MühendisliğiYıldız Teknik ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ÖZGEN ÜMİT ÇOLAK