Immersed boundary method for fluid-fluid-solid three phase flows
Başlık çevirisi mevcut değil.
- Tez No: 648283
- Danışmanlar: PROF. DR. METİN MURADOĞLU
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Makine Mühendisliği, Mechanical Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2020
- Dil: İngilizce
- Üniversite: Koç Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: 100
Özet
Çok fazlı akışlar endüstriyel süreçlerden biyolojik akışlara kadar pek çok alanda gözlemlenebilir ve bunların yaygınlığı hesaplamalı akışkan dinamiğinde (CFD) önemli bir konuma getirir. Bu önem aynı zamanda temel fizikleri ayrıntılı olarak anlama gereksinimini de beraberinde getirir ve bu hedefi başarmanın bir yolu hesaplamalı bir ortamda temel prensiplere dayanan yüksek doğrulukta simülasyonlar yapmaktır. Bu çok fazlı sistemler sıvı-sıvı etkileşimlerini, sıvı-katı etkileşimlerini ve sıklıkla da her ikisini de içerebilir, bu nedenle son birka 10 yılda farklı yöntemler bulundu ve geni bir uygulamalı problem yelpazesinde çok başarılı oldukları gösterildi. Üç fazlı sistemler, özellikle uzaktan kumandalı bir mikroyüzücü ile kanserli bir bölgeye kemoterapi verme operasyonu gibi mikrorobotik uygulamalarında veya insan akciğerindeki akış gibi biyolojik akışlarla ilgilidir. Bu çalışma, sıvı-katı etkileşimleri için yeni bir sayısal yöntem geliştirmeyi ve bu yeni çözücüyü üç fazlı sistemlerin içindeki sıvı-sıvı- katı etkileşimlerini simüle etmek için bir ara-yüz izleme algoritması ile birleştirmeyi amaçlamaktadır. Bu çalışmada, bir akışkana tamamen veya kısmen gömülmüş sıvı-katı ara yüzüne müdahale etmek için bir Daldırılmış sınır (IBM) algoritması geliştirilmiştir. Katı-sıvı ara yüzleri Ara-Yüz İzleme Metodunun iskeletini kullanarak, ara yüz izleme yöntemine benzer şekilde bir 3 boyutlu üçgensel yüzey ağının köşelerinde bulunan işaret noktalarından oluşan bir Lagrangian ızgarası ile temsil edilmektedir. Kaymazlık ve nüfuz etmezlik sınır koşullarını dayatmak için Uhlmann'ın [152] geliştirdiği doğrudan zorlama yöntemi kullanılmıştır. Tamamen akışkana gömülmüş katı partikülün cisim dinamikleri için Newton-Euler denklemleri bir Lagrangian ızgarasında çözülür ve Eulerian ızgarasında çözülen akışkan denklemleri ile sıkıca eşleştirilir. Çözüm süreci boyunca, Lagrangian ızgarasında hesaplanan değişkenler bir dağıtım fonksiyonu ile Eulerian ızgarasına yumuşatılmıştır ve aynı dağıtım fonksiyonu nicelikleri ara yüzden Eulerian ızgarasına ara-yüz metodundaki dağıtım/interpolasyon operasyonlarına benzer şekilde korunarak transfer etmek için de kullanılmıştır. Bu hibrit Daldırılmış Sınır Metodu/Ara-Yüz İzleme Metodu (IBM/FTM) çözücü, birkaç olayı simüle etmek için kullanılmıştır. İlk olarak, sabit bir katı küre, farklı Reynolds(Re) sayılarında tekdüze bir akışa maruz bırakılır ve sonuçların literatürdeki sonuçlarla oldukça uyuştuğu bulunur. Ardından, dingin bir akışkanda tek bir kürenin düşüşü çeşitli Reynolds sayıları için gözlenir ve sonuçlar Mordant ve Pinton'un [102] deneysel sonuçları ile kıyaslanır. Metodun mekansal ve zamansal hatalar açısından yakınsak olduğu gösterilmiştir. Sayısal yöntem ayrıca Cate et al.'ın [27] deneysel olarak çalıştığı geniş bir aralıktaki Reynolds sayıları ile de doğrulanır. Son olarak, IBM/FTM metodu pek çok parçacığın dahil olduğu çok partiküllü akışları simüle etmekte kullanılır ve ön sonuçlar elde edilmiştir. Yöntemin güçlü olduğu tespit edilmiştir ve sonuçlar niteliksel olarak doğru gözükür ama onaylama için daha titiz niceliksel kıyaslar yapılmalıdır ancak gelecekte yapılacaktır. Yöntem tamemen AraYüz izleme iskeletinde geliştirilmiştir ve üç fazlı sıvı-sıvı ve sıvı-katı etkileşimlerinin olduğu akışlarda kullanılmaya hazırdır.
Özet (Çeviri)
Multiphase flows can be observed in a broad range of industrial and natural processes, and their ubiquity puts them in a significant position in computational fluid dynamics (CFD). This importance also brings a requirement of understanding the underlying physics in detail and one way to achieve this goal is to do high fidelity simulations based on the first principles in a computational environment. These multiphase systems can contain fluid-fluid interactions, fluid-solid interactions and often both of them, therefore various methods have been developed and successfully applied to a wide range range of problems of practical importance in the last few decades. The multiphase flow systems are particularly of interest in micro-robotic applications such as a chemotherapy delivery operation to a cancerous area by a remote-controlled microswimmer and in biological flows such as the flow in human lungs. The ultimate goal of this thesis is to develop a new high-fidelity numerical method for simulations of fluid-solid interactions and combine it with a front-tracking algorithm to simulate fluid-fluid-solid interactions in three phase systems. In the present study, an immersed boundary method (IBM) is developed to treat fluid-solid interfaces that are fully or partially immersed in a host fluid. Using the front-tracking framework, the solid-fluid interfaces are represented by a Lagrangian grid that consists of marker points located at the vertices of a 3D triangular surface mesh. The direct forcing method developed by Uhlmann [152] is used to impose the no-slip and no-penetration boundary conditions on the interface. The Newton-Euler equations are solved for the rigid body dynamics of the fully immersed undeformable solid particles in a Lagrangian frame and tightly coupled with the continuum flow equations solved on a fixed Eulerian grid. For this purpose, quantities calculated on the Lagrangian grid are smoothed onto the Eulerian grid with a distribution function and the same distribution function is also used to transfer quantities from the interface to the Eulerian grid in a conservative manner similar to the distribution/interpolation operations in the front-tracking method. The hybrid immersed-boundary/front-tracking (IBM/FTM) solver is then validated for several benchmark cases. First, it is applied to simulate a single stationary rigid sphere exposed to a uniform flow at different Reynolds numbers and the results are found to be in good agreement with the results in the literature. Then, sedimentation of a single sphere in a resting fluid is simulated for various Reynolds numbers and the results are compared with the experimental results of Mordant and Pinton [102]. The method is demonstrated to be convergent in terms of spatial and temporal errors. The numerical method is also validated for a wide range of Reynolds numbers studied experimentally by Cate et al. [27]. Finally, the method is used to simulate particulate flows involving many particles and preliminary results are obtained. The method is found to be robust and the results look qualitatively accurate but a more rigorous quantitative comparison must be done for the validation, which is a subject of a future study. The method is totally developed in the front-tracking framework and can be readily used to simulate three phase flows involving fluid-fluid and fluid-solid interfaces.
Benzer Tezler
- Fluid-structure interaction modelling of plug propagation in compliant airways
Esnek havayollarında plak ilerlemesinin akışkan-yapı etkileşimi ile modellemesi
MEHMET YAPAR
Yüksek Lisans
İngilizce
2022
Makine MühendisliğiKoç ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. METİN MURADOĞLU
- Fenollerin sulu çözeltilerden orgono kil üzerinde adsorpsiyon ile zenginleştirilmesi ve kapiler elektroforez yöntemi ile tayini
Preconcentration of phenols from aqueous solutions by adsorption on organo-clay followed by capillary electrophoretic determination
İNCİ ALEMDAR
- Physics based washing machine simulations
Başlık çevirisi yok
DENİZ TOLGA AKÇABAY
Doktora
İngilizce
2007
Makine MühendisliğiUniversity of MichiganPROF. DAVID R. DOWLING
PROF. WILLIAM SCHULTZ
- An immersed boundary implementation using a high order compact scheme on a graphics processing unit
Grafik işleme birimi üzerinde yüksek mertebe kompakt şema kullanılarak gömülü sınır uygulaması
UFUK ÖZCAN
Yüksek Lisans
İngilizce
2015
Mühendislik Bilimleriİstanbul Teknik ÜniversitesiUçak ve Uzay Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. FIRAT OĞUZ EDİS
- Three dimensional simulation of fluid structure interactions for red blood cells
Kırmızı kan hücreleri için üç boyutlu akışkan yapı etkileşimi simülasyonu
AYŞE ÇETİN
Yüksek Lisans
İngilizce
2018
Uçak Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiUçak ve Uzay Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. MEHMET ŞAHİN
