Numerical simulation of multiphase flows under electrohydrodynamics effects
Elektrohidrodinamik etkiler altında çok fazlı akımların sayısal simülasyonu
- Tez No: 478663
- Danışmanlar: DOÇ. DR. MEHMET YILDIZ
- Tez Türü: Doktora
- Konular: Mekatronik Mühendisliği, Mechatronics Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2017
- Dil: İngilizce
- Üniversite: Sabancı Üniversitesi
- Enstitü: Mühendislik ve Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Mekatronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: 144
Özet
Akışkanlar dinamiğinin başlıca konularından biri olan çok fazlı akış problemleri endüstriyel uygulamalarda geniş bir yelpazeye sahiptir.Bu nedenle, endüstriyel uygulamalarda istenilen akış rejimini sürdürebilmek için çok fazlı akış problemini kontrol etmek önem arz etmektedir.Elektrohidrodinamik, kolaylığı, çeşitli sayıda uygulama alanı ve yüksek hassasiyette kontrol özelliği nedeniyle çok fazlı akış problemlerini kontrol etmek için kullanılır. Elektrohidrodinamiğin çok fazlı akış problemleri üzerindeki etkisini araştırmak için olası yaklaşımlardan biriise, karmaşık çok fazlı sistemlerde elektrik ve hidrodinamik kuvvetler arasındaki etkileşimi simüle etmek için kullanılan sayısal yöntemlerdir.Bu tezde, çok fazlı akış problemleri üzerindeki elektrohidrodinamik etkilerin sayısal incelemeleri, Düzleştirilmiş Tanecik Hidrodinamiği (SPH) yönteminin geliştirilmesi ve Hesaplamalı Akışkanlar Dinamiğinin (CFD)ticari yazılımından yararlanılarak yapılan çalışmalardan bahsedilmektedir. Çok fazlı akışların ve elektrohidrodinamik simülasyonlarısırasıyla Sürekli Yüzey Kuvveti (CSF) ve sızdıran dielektrik modellertarafından gerçekleştirilmiştir. Düzleştirilmiş Tanecik Hidrodinamiği (SPH) yöntemi, ek hesaplama maliyeti olmaksızın arayüzler arası çok fazlı akışları simüle edebilen Lagrangian parçacık tabanlı,ağ-içermeyenbir yöntemdir.Mevcut Düzleştirilmiş Tanecik Hidrodinamiği (SPH)kodu ile yüzey geriliminin uygulanması için mevcut sayısal sonuçlar Laplace denklemi ile karşılaştırılmış ve elektrik alan varlığında durağan damlacık deformasyonu için Taylor ve Feng teorilerinin analitik çözümleri ile birlikte doğrulanmıştır. Ek olarak, yöntem, literatürdeki mevcut sayısal, analitik ve deneysel verilere dayanan aşağıdaki problemlerin her biri için geçerlidir.İlk problem, çok fazlı bir akış problemi üzerinde fenomenolojik bir çalışmanın yapılmasına izin veren Rayleigh-Taylor Kararsızlığıdır(RTI).Coulomb ve polarizasyon kuvvetlerinin rolü karşılaştırılarak çeşitli elektrohidrodinamik kuvvetlerin etkisi araştırılmıştır. Daha sonra, yağ/su sistemindeki kabarcık yükselişi sırasında elektrik kuvvetlerinin yükselen bir kabarcığın deformasyon ve yükselme hızı üzerindeki etkisi araştırılmıştır. Düzleştirilmiş Tanecik Hidrodinamiği (SPH) yöntemi, ikili damlacıkların elektro-birleşmesini simüle etmek için de kullanılır. Bu nedenle, Düzleştirilmiş Tanecik Hidrodinamiği metodu, yağlama kuramı ve film drenaj modeline dayalı çok fazlı bir algoritma geliştirerek ikili kaynaşmanın simülasyonu için genişletilmiştir. Algoritma, duran damlacıkların elektro-birleşmesinin yanı sıra, yaklaşan ikili damlacığın doğrudan ve başaşağı kaynaşmasını simüle etmek için kullanılmıştır.Elektrohidrodinamik etkiler altında çok fazlı akış simülasyonuna ikinci yaklaşım ise, ticari bir hesaplamalı akışkanlar dinamiği yazılımı olan ANSYS-Fluent' in geliştirilmesidir.Yazılım, elektrohidrodinamik simülasyonu için karmaşık Kullanıcı Tanımlı Fonksiyonlar (UDFs) yazılarak genişletilmiştir. Bir asılı damlacığın elektrohidrodinamik deformasyonu için sayısal aracın mevcut sayısal ve analitik sonuçlarla karşılaştırılmasına ek olarak, sayısal araç aşağıdaki problemlerin farklı vakaları için literatürdeki mevcut verilerle geniş çapta doğrulanmıştır. Geliştirilmiş olan ANSYS-Fluent kodu, alan kısıtlamasının ve elektrohidrodinamiğin birleşmiş etkilerini inceleyerek halka şeklinde yükselen kabarcıkların oluşumu için hava/su sisteminin kabarcık yükselişini simüle etmek için kullanılmıştır. Son olarak, endüstriyel ölçekli bir problem olan elektro-jet baskı, farklı boyutsuz parametrelerin varyasyonları için simüle edilerek, elektro-jet baskı sistemlerinin tasarımı için kılavuz bilgiler sağlanmıştır.
Özet (Çeviri)
Multiphase ow problems are one of the main categories of uid dynamics problems with a broad range of applications in industrial practices. Thus, it is crucial to control multiphase ow problems to maintain desirable ow regimes in those industrial applications. The electrohydrodynamics can be used to control multiphase ow problems due to its simplicity, wide range of applicability and its high precision controllability. One of possible approaches to investigate the in uence of electrohydrodynamics on multiphase ow problems is to utilize numerical methods for simulating the interaction between electric and hydrodynamic forces in complex multiphase systems. In this thesis, the numerical investigations of electrohydrodynamics e ects on multiphase ow problems are carried out by developing the Smoothed Particle Hydrodynamics (SPH) method, as well as extending a commercial Computational Fluid Dynamics (CFD) software. The simulation of multiphase ows and electrohydrodynamics is implemented by the Continuum Surface Force (CSF) and leaky dielectric models, respectively. The SPH method is a Lagrangian particle-based mesh-less method which can simulate interfacial multiphase ows with no additional computational costs. The in-house SPH code is initially validated by comparing present numerical results with those of Laplace equation for the implementation of surface tension, and with analytical solutions of Taylor and Feng theories for the deformation of a stationary droplet in the presence of electric eld. Moreover, the method is extensively validated for each of the following problems with available numerical, analytical and experimental data in literature. The rst problem is the Rayleigh-Taylor Instability (RTI) that allows performing a phenomenological study on a fundamental multiphase ow problem. The in uence of various electrohydrodynamic forces is investigated by comparing the role of Coulomb and polarization forces. Then, the method is extended to bubble rising of an oil/water system by investigating the in uence of electric forces on the deformation of a rising bubble and its rise velocity. The SPH method is also used to simulate the electro-coalescence of binary droplets. Thus, the SPH method is extended for the simulation of droplet coalescence by developing a multiphase algorithm based on the lubrication theory and lm drainage model. The algorithm is used to simulate the head-on and head-o coalescence of approaching binary droplets as well as the electro-coalescence of stationary droplets. The second approach to the simulation of multiphase ows under the electrohydrodynamic e ects is the development of a commercial CFD software, the ANSYS-Fluent. The software is extended by writing complex User De ned Functions (UDFs) for the simulation of electrohydrodynamics. In addition to the initial comparison of the numerical tool with available numerical and analytical results for the electrohydrodynamic deformation of a suspended droplet, the numerical tool is extensively validated with available data in literature for various test-cases of the following problems. The developed ANSYS-Fluent code is used to simulate the bubble rising of an air/water system for the formation of toroidal rising bubbles by investigating the combined e ects of domain con nement and electrohydrodynamics. Finally, the electro-jet printing which is an industrial scale problem is simulated for variations of di erent dimensionless parameters to provide guidelines for the design of electro-jet printing setups.
Benzer Tezler
- Numerical simulation of complex soft matter systems
Kompleks yumuşak madde sistemlerinin sayısal simülasyonu
ROOZBEH SAGHATCHI
Doktora
İngilizce
2022
Makine MühendisliğiSabancı ÜniversitesiÜretim Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. MEHMET YILDIZ
- 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
- Gaz-partikül iki fazlı girdaplı akışların matematik modellenmesi ve sayısal çözümü
Mathematical modelling and numerical solution of gas-particle two phase swirling flow
MEHMET TEKE
Yüksek Lisans
Türkçe
2010
Makine MühendisliğiUludağ ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. İRFAN KARAGÖZ
- CaCO3 çökelmesinin çatlaklı ortamda akış davranışına etkilerinin incelenmesi
Investigation of CaCO3 precipitation's impact on flow behavior in fractured models
EDA AY DİLSİZ
Doktora
Türkçe
2023
Enerjiİstanbul Teknik ÜniversitesiPetrol ve Doğal Gaz Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ İBRAHİM METİN MIHÇAKAN
- Akışkan yatak enerji depolama sistemi hesaplamalı akışkanlar dinamiği modellemesi
Fluidized bed energy storage system computational fluid dynamics modeling
MUHAMMED BAHADDİN KOCATAŞ
Yüksek Lisans
Türkçe
2020
Enerjiİstanbul Teknik ÜniversitesiEnerji Bilim ve Teknoloji Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ÜNER ÇOLAK