Geri Dön

Effects of surfactant and viscoelasticity on turbulent bubbly flows

Kabarcıklı Türbülanslı Akışlarda Yüzey Aktif Maddesi ve Viskoelastisitenin Etkileri

PDF İndir

  1. Tez No: 667548
  2. Yazar: ZAHEER AHMED
  3. Danışmanlar: PROF. DR. METİN MURADOĞLU
  4. Tez Türü: Doktora
  5. Konular: Makine Mühendisliği, Mechanical Engineering
  6. Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
  7. Yıl: 2020
  8. Dil: İngilizce
  9. Üniversite: Koç Üniversitesi
  10. Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
  11. Ana Bilim Dalı: Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
  12. Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
  13. Sayfa Sayısı: Belirtilmemiş.

Özet

Gaz-sıvı arayüzeyinin çözümlendiği doğrudan simülasyon yöntemi kullanılarak kabarcıklı ve türbülanslı kanal akışları üzerindeki çözülebilir yüzey aktif maddesi ve viskoelastisitenin ayrı ayrı ve kombine etkileri incelendi. Sıkıştırılamaz akış denklemleri FENE-P viskoelastik model denklemleri ve çözülebilir yüzey aktif maddesi evolüsyon bünye denklemleri ile birlikte sayısal olarak çözüldü. Ara-yüzeydeki yüzey aktif maddesinin yüzey gerilmesine etkisi doğrusal olmayan bir durum denklemi kullanılarak hesaba katıldı. Navier-Stokes denklemleri karışamayan iki-akışkanlı akışlar için ara-yüz izleme yöntemi kullanılarak çözüldü. İlk olarak yüzey aktif maddesinin tek bir gaz kabarcığının basınç-tahrikli bir kanaldaki yanal hareketi üzerindeki etkileri incelendi. Kabarcık dinamiğini araştırmak amacıyla simülasyonlar büyük bir parametre aralığı için yapıldı. Yüzey aktif maddesinin akış dinamiğini dramatik olarak değiştirdiği tespit edildi. Yüzey aktif maddesinin bulunmadığı temiz ara-yüz durumunda kabarcığın kanal içindeki pozisyonunun Eotvos (Eo) sayısı ve kapilari sayısı (Ca) ile karakterize edilen kabarcığın deforme olabilmesine bağlı olduğu bulundu. Küresel kabarcık kanal duvarına doğru hareket ederken deforme olabilen kabarcık kanal merkezine doğru hareket etmektedir. Yüzey aktif maddesi eklenmesi durumunda ise küresel kabarcık bile kanal merkezine doğru hareket etmektedir. Buna ilave olarak Eo≤0.1 ve Eo≥1.5durumunda kabarcık duvardan uzakta konumlanırken 0.1<Eo<1.5 durumunda duvara doğru hareket etmektedir. Ayrıca büyük Eotvos sayısında hem temiz hem de kirlenmiş kabarcığın yörünge karasızlığına uğradığı gözlemlendi. Fakat yüzey aktif maddesi eklenmesi durumunda karasızlık daha önce başlamakta ve salınım genliği büyümektedir. Daha sonra kabarcıklı ve türbülanslı kanal akışında yüzey aktif maddesi ve viskoelastisitenin ayarı ayrı ve kombine etkileri incelendi. Yüzey aktif maddesinin bulunmadığı durumda aerodinamik kaldırma kuvveti etkisiyle kabarcıkların duvara doğru hareket edip orada kabarcık tabakası oluşturduğu ve bunun sonucu olarak ise akış oranının azaldığı bulundu. Yüzey aktif maddesi eklenmesi durumunda ise bunun tam tersi olarak kabarcıkların yön değiştirip kanal merkezine doğru hareket ettiği ve kanal kesitinde homojen olarak dağıldığı gözlemlendi. Vizkoelastik etkilerin hesaba katıldığı durumda ise viskoelastik gerilmeler Marangoni gerilmesinin tersi yönde etki etmekte, duvardaki kabarcık tabakasının oluşmasına katkı sağlamakta ve bunun sonucu olarak akış debisi önemli ölçüde azalmaktadır. Ayrıca değişik yüzey aktif maddelerinin etkileri de incelendi. Bu amaçla değişik sorpsiyon kinetik özelliklere sahip Triton X-100 ve 1-Pentanol yüzey aktif maddelerinin fiziksel özellikleri kullanılarak simülasyonlar yapıldı. Soprpsiyon kinetiğinin akış üzerinde çok büyük etkilerinin olduğu tespit edildi. Çok küçük miktardaki Triton X-100 maddesinin eklenmesiyle duvardaki kabarcık katmanın oluşumu tamamıyla engellenirken bunun 100 kat fazlası 1-Pentanol eklenmesinin bile önemli bir etkisinin olmadığı gözlemlendi. Viskoelastik türbülanslı akışlarda polimerin sürükleme kuvvetini azaltan etkisinin nerede ise tamamıyla kaybolduğu ama yüzey aktif maddesi eklenmesiyle bu etkinin tekrar ortaya çıktığı tespit edildi. Son olarak, yüzey aktif maddesiyle kirlenmiş polidispers kabarcıkların bulunduğu türbülanslı kanal akışında polimer kaynaklı sürükleme kuvvetinin azalması incelendi. Yüzey aktif maddesinin olmadığı durumda kabarcıkların duvarda tabaka oluşturduğu ve Newtonsal duruma göre sürükleme kuvveti azalsa da polimerlerin sürükleme azaltma etkisinin büyük oranda ortadan kalktığı gözlemlendi. Yüzey aktif maddesi eklenmesi durumunda ise polimer kaynaklı sürükleme kuvveti azalmasının tekrardan ortaya çıktığı bulundu.

Özet (Çeviri)

Interface-resolved direct numerical simulations are performed to examine the sole and combined effects of soluble surfactant and viscoelasticity on the structure of a bubbly turbulent channel flow. The incompressible flow equations are solved fully coupled with the FENE-P viscoelastic model and the equations governing interfacial and bulk surfactant concentrations. The latter coupling is achieved through a non-linear equation of state which relates the surface tension to the surfactant concentration at the interface. The two-fluid Navier-Stokes equations are solved using a front-tracking method. First, the effects of soluble surfactant on the lateral migration of a bubble in a pressure-driven channel flow are examined. Extensive computations are performed to investigate the bubble dynamics for a wide range of parameters. It is found that surfactant dramatically changes the bubble dynamics. In the clean case, the bubble position depends on its deformability, characterized by the Eotvos () and the capillary () numbers. The spherical bubble moves towards the wall, while the deformable one migrates away from it. On the other hand, in the presence of the surfactant, even the spherical bubble moves away from the wall. It is also found that the contaminated bubble stays away from the wall for and while it migrates towards the wall for . Also, at high , the onset of path instability is observed for both the clean and the contaminated cases. However, adding surfactant to the system triggers the path instability earlier and amplifies the oscillations afterwards. Next, simulations are performed to examine the combined effects of soluble surfactant and viscoelasticity on the structure of a bubbly turbulent channel flow. It is found that, for the surfactant-free case, bubbles move toward the wall due to inertial lift force, resulting in formation of wall layers and a significant decrease in the flow rate. Conversely, a high-enough concentration of surfactant changes the direction of lateral migration of bubbles, i.e., the contaminated bubbles move toward the core region and spread out across the channel. When viscoelasticity is considered, viscoelastic stresses counteract the Marangoni stresses, promoting formation of bubbly wall-layers and consequently strong decrease in the flow rate. The formation of bubble wall-layers for combined case depends on the interplay of the inertial and elastic, and Marangoni forces. Further, effects of different types of surfactant are examined using the physical sorption kinetics. For Newtonian turbulent bubbly flow, effects of Triton X-100 and 1-Pentanol are examined. It is observed that the sorption kinetics highly affect the dynamics of bubbly flow. Minute amount of Triton X-100 is found to be sufficient to prevent the formation of bubble clusters. On the other hand, 100 times more of 1-Pentanol surfactant is not sufficient to prevent the formation of layers. For viscoelastic turbulent flow, it is found that, polymer drag reduction is completely lost for the surfactant-free case, and the addition of small amount of surfactant (Triton X-100) restores the polymer drag reduction for the viscoelastic turbulent bubbly flows. Lastly, the polymer drag reduction of turbulent poly-dispersed bubbly flow is examined in the presence of soluble surfactant. It is found that the drag increases for the clean viscoelastic poly-dispersed bubbly flow but it is lower than the corresponding Newtonian flow due the lateral migration of large bubbles to the center of channel. In the presence of surfactant, the drag reduction for viscoelastic poly-dispersed bubbly flow is revived.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    520355

    Combined effects of surfactant and viscoelasticity on drop dynamics

    Yüzey aktif maddesi ve viskoelastisitenin damacık dinamiğine üzerindeki kombine etkileri

    MOHAMMAD NABIZADEHMASHHADTOROGHI

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2018

    Makine MühendisliğiKoç Üniversitesi

    Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. METİN MURADOĞLU

  2. Tez No

    868594

    Comprehensıve analysıs of vıtamın D3 adsorptıon and monıtorıng usıng QCM wıth hydrophobıc algınate-halloysıte nanoclay composıte bılayers

    Hidrofobik aljinat-halloysit nanokil kompozitleri QCM kullanılarak D3 vitamini adsorpsiyonu ve izlenmesinin kapsamlı analizi

    MERVENUR KİRAZOĞLU

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2024

    Biyomühendislikİstanbul Teknik Üniversitesi

    Nanobilim ve Nanomühendislik Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. BİRGÜL BENLİ

  3. Tez No

    55961

    Biyomagnetik olaylar

    Başlık çevirisi yok

    M.TOGAN ÇANDIR

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    1996

    Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    PROF.DR. İNCİ AKKAY

  4. Tez No

    104267

    Bentonit ve montmorillonit dispersiyonlarının reolojik, viskoelastik ve kolloidal özellikleri üzerine organik ve inorganik tuzların etkisi

    The effect of organic and inorganic additivies on the rheological, viscoelastic and colloidal properties of bentonite and montmorillonite dispersions

    AYŞE ALEMDAR

    Doktora

    Türkçe

    Türkçe

    2001

    Fizik ve Fizik Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    PROF. DR. NURFER GÜNGÖR

  5. Tez No

    522542

    The effects of polymer/surfactant additives on the flow and heat transfer around a circular cylinder in periodic vortex shedding

    Polimer/yüzey aktif madde katkısının periyodik girdap kopmasında dairesel silindir etrafı akışa ve ısı transferine etkileri

    ÇAĞLAR ŞAHİN

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2018

    Kimya MühendisliğiBoğaziçi Üniversitesi

    Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. SALİM KUNT ATALIK

Geri Dön