Investigations into the evolution of heated liquid films
Isıtılan sıvı filmlerin evrimine ilişkin araştırmalar
- Tez No: 898086
- Danışmanlar: Assoc. Prof. LUCA BİANCOFİORE
- Tez Türü: Doktora
- Konular: Makine Mühendisliği, Mechanical Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2024
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İhsan Doğramacı Bilkent Üniversitesi
- Enstitü: Mühendislik ve Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: 162
Özet
Isıtılmış sıvı filminin serbest yüzeyinin evrimi, çeşitli endüstriyel sistemlerin performansına ve verimliliğine doğrudan bağlıdır. Bu nedenle, atalet, termokapilarite, buharlaşma, gaz kayması ve termal radyasyonun etkilerini hesaba katarak farklı hidro-termal modeller formüle ederek, farklı1 ortamlarda ısıtılmış sıvı filmlerinin uzaysal-zamansal evrimini araştırıyoruz ve her problemde modelleme çabalarımızı en baskın fiziksel olgulara yönlendiriyoruz. Viskozite-yerçekcmi akış rejimine ait nispeten düşük Reynolds sayılarıyla karakterize edilen sıvı akışlarında, filmin hidrodinamiğini uzun dalga genleşme (LWE) metodolojisini kullanarak modelliyoruz ve termokapiler ve buharlaşma kararsızlıklarına odaklanan doğrusal kararlılık analizleri gerçekleştiriyoruz, çünkü bunlar bu akış rejiminde filmin evrimi üzerinde birincil bir etkiye sahiptir. Sonuç olarak, buharlaşma süreci, arayüzün eğriliğine bağlı termodinamik dengesizlik ve difüzyon etkileri arasındaki rekabet tarafından yönetilir. Sultan vd. tarafindan yapılan kinetik-difüzyon buharlaşma modelini değiştiriyoruz. [Sultan vd., J. Fluid Mech. 543, 183, (2005)] ve bunu uzun dalga teorisiyle birleştirerek bağlı dinamikleri kapsayan bir yönetici denklem türetiyoruz. Daha sonra, Marangoni etkisinin iki bileşeni olduğu sistemin dispersiyon ilişkisini türetmek için lineer kararlılık teorisini kullanıyoruz. İlki, düzensiz ısı akışı tarafından yönlendirilen yüzey gerilim gradyanlarından kaynaklanırken, ikincisi buhar difüzyonundaki dengesizliklerden kaynaklanan yüzey gerilim gradyanlarından kaynaklanmaktadır. Bu iki bileşen, buharlaşma kütle kaybı ve buhar geri tepmesi ile zengin ve karmaşık bir şekilde etkileşime girer. Dahası, uçucu bir filmin buharlaşma kararsızlıklarından yoksun olduğu bir buharlaşma rejimi belirliyoruz. Ayrıca, film incelmesinin buharlaşma rejiminin iki zıt sınırındaki kararlılığı üzerindeki etkisini araştırıyoruz ve difüzyonla sınırlı rejimdeki etkisinin buharlaşma olaylarının yoğunluğuna bağlı olduğunu buluyoruz. Son olarak, buhar difüzyon etkilerinin mutlak kararsızlığa doğru bir kayma ile ilişkili olduğunu gösteren bir uzaysal-zamansal analiz yürütüyoruz. İkinci problemde, bir gaz tarafından kesilen buharlaşan bir sıvı filminin uzaysal-zamansal evrimini inceliyoruz ve kesme gazının sıvının arayüzü boyunca sabit bir kesme gerilimi uygulayarak modellendiği hem atalet hem de termal kararsızlık modlarını ele alıyoruz. İlginç bir şekilde, probleme dahil edilmesi, incelediğimiz ilk sistemin aktarım hızı sınırlı durumu olan tek taraflı bir buharlaşma modelinin kullanılmasına izin veriyor. Bir kez daha, kesme gazının rolünü içeren sıvı film için bir evrim türetmek için uzun dalga teorisi kullanılıyor. Daha sonra, doğrusal kararlılık teorisi, akışın zamansal ve uzaysal-zamansal özelliklerini araştırmak için kullanılıyor ve burada filmin buharlaşmasının mutlak kararsızlıkları desteklediği ve konvektif/mutlak geçişlere neden olabileceği bulunuyor. Ayrıca, ters akışlı kesme gazının, önceki çalışmalarda güçlü bir şekilde sınırlandırılmış izotermal film için bulunan benzer sonuçları doğrulayarak eylemsizlik kararsızlığını bastırabileceğini bulduk. Dahası, evrim arayüzü denklemi, filmin doğrusal olmayan kararlılığını keşfetmek için sayısal olarak çözüldü. Dahası, kesme geriliminin filmin kopma mekaniği üzerindeki etkisini araştırmak için öz-benzerlik analizini kullanıyoruz. Araştırdığımız üçüncü problemde, sıvı akışının Reynolds sayısı nispeten yüksektir ve bu nedenle ağırlıklı rezidüler integral sınır tabakası (WIBL) tekniğini [C. Ruyer-Quil ve P. Manneville," Eur. Phys. J. B, \textbf{15}, 357, (2000)] kullanıyoruz ve dikkatimizi indirgenmiş modeller kullanarak film boyunca sıcaklık alanını doğrudan simüle etmeye yöneltiyoruz. WIBL hidrodinamik denklemleri, sınır tabakası yaklaşımı yoluyla elde edilen türetilmiş ifadelerdir, termal profil ise gelişmiş karmaşıklığın daha yüksek karmaşıklık ve hesaplama maliyetiyle dengelendiği bir model hiyerarşisi üreten asimptotik bir genişleme kullanılarak modellenmiştir. Bu modeller sayısal olarak çözülerek, film boyunca sıcaklık alanının hem sıvı film hem de katı yüzey boyunca iletim ve bunların ilgili radyasyon emisyonları arasındaki bir denge tarafından nasıl yönetildiği ortaya çıkarılmıştır, burada bu iki transfer olgusu hem sıvı film hem de katı yüzeyle ilişkili iki karşılık gelen boyutsuz sayı aracılığıyla birbirine bağlanmıştır.
Özet (Çeviri)
The evolution of the free surface of a heated liquid film is directly tied to the performance and efficiency of various industrial systems.Therefore, we investigate the spatiotemporal evolution of heated liquid films across a range of different settings by formulating distinct of hydro-thermal models taking into account the effects of inertia, thermocapillarity, evaporation, gas shear, and thermal radiation, where we direct our modeling efforts in each problem on the most dominant physical phenomena. In liquid flows characterized by relatively low Reynolds numbers belonging to the drag-gravity flow regime, we model the hydrodynamics of the film using the long-wave expansion (LWE) methodology and perform linear stability analyses focused on the thermocapillary and evaporative instabilities, as they have a primary influence on the film's evolution in this flow regime. Consequently, the evaporation process is governed by the competition between thermodynamic disequilibrium and diffusion effects dependent on the interface's curvature. We modify the kinetic-diffusion evaporation model of Sultan et al. [Sultan et al., J. Fluid Mech. 543, 183, (2005)] and combine it with long-wave theory to derive a governing equation encapsulating the coupled dynamics. We then utilize linear stability theory to derive the system's dispersion relationship, in which the Marangoni effect has two components. The first results from surface tension gradients driven by the uneven heat flux, while the second arises from surface tension gradients caused by imbalances in vapor diffusion. These two components interact with evaporative mass loss and vapor recoil in a rich and complex manner. Moreover, we identify an evaporation regime where a volatile film is devoid of evaporation instabilities. Furthermore, we investigate the effect of film thinning on its stability at the two opposing limits of the evaporation regime, where we find its impact in the diffusion-limited regime to be dependent on the intensity of evaporative phenomena. Finally, we conduct a spatiotemporal analysis which indicates that vapor diffusion effects are correlated with a shift towards absolute instability. In the second problem, we study the spatiotemporal evolution of an evaporating liquid film sheared by a gas and consider both the inertial and thermal instability modes, where the shearing gas is modeled by imposing a constant shear stress along the liquid's interface. Interestingly, it's inclusion in the problem allows the utilization of a one-sided evaporation model, which is precisely the transfer-rate-limited case of the first system we investigated. Once more long-wave theory is used to derive the an evolution for the liquid film which incorporates the role of the shearing gas. Afterwards, linear stability theory is used to investigate the temporal and spatiotemporal characteristics of the flow, where it is found that the evaporation of the film promotes absolute instabilities and can cause convective/absolute transitions. We also find that counter-flowing shearing gas can suppress the inertial instability affirming similar conclusions found by previous studies for a strongly confined isothermal film. Furthermore, the evolution interface equation was solved numerically to explore the film's nonlinear stability. Moreover, we employ self-similarity analysis to probe the shear stress's effect on the film's rupture mechanics. In the third problem we research, the liquid flow's Reynolds number is relatively high, and hence we utilize the weighted-residual integral boundary layer (WIBL) technique [C. Ruyer-Quil and P. Manneville," Eur. Phys. J. B, \textbf{15}, 357, (2000)], and direct our attention at directly simulating the temperature field across the film using reduced models. The WIBL hydrodynamic equations are derived expressions obtained via the boundary layer approximation, while the thermal profile is modeled by employing an asymptotic expansion which produces a hierarchy of models in which enhanced sophistication is offset by higher complexity and computational cost. These models are solved numerically revealing how the temperature field across the film is governed by a balance between the conduction across both the liquid film and the solid surface, and their respecitve radiative emissions, wherein these two transfer phenomena are linked through two corresponding dimensionless numbers associated with both the liquid film and the solid surface.
Benzer Tezler
- Otomotiv ön cam buz çözme performansının sayısal olarak modellenmesi ve buzun erimesine etki eden parametrelerin irdelenmesi
Numerical modeling of windshield de-icing performance and parametric evaluation of ice melting process
SERHAN TATAR
Yüksek Lisans
Türkçe
2015
Makine Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
YRD. DOÇ. DR. LEVENT ALİ KAVURMACIOĞLU
- İzmir, Gülbahçe, Sığacık körfezlerinde sıcaklık ve akışkan hızı modellemesi
Temperature and flow modelling in İzmir, Gülbahçe and Sığacık bay
DUYGU YAĞCI
Yüksek Lisans
Türkçe
2015
Jeofizik Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiJeofizik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
YRD. DOÇ. DR. DOĞA DOĞAN
- Biyomotorin üretiminde rafinasyon aşamasının incelenmesi
An Investigation of the refining step of the bio diesel production
SERAP ERTEKİN
- Elektron ışın kaynağı ve otomotiv endüstrisindeki uygulamaları
Başlık çevirisi yok
ERCAN CİHAN
Yüksek Lisans
Türkçe
1998
Makine Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. SELAHATTİN ANIK
- Türkiye kökenli aspir tohum yağlarının transesterifikasyonu ve dizel yakıt alternatifi olarak değerlendirilmesi
Transesterification of safflower seed oil of Turkish origin and its evaluation as a diesel fuel alternative
ASLI IŞIĞIGÜR