Geri Dön

Computational modeling and analysis of viscoelastic multiphase flows

Viskoelastik çok-fazlı akışlarının hesaplamalı modellemesi ve analizi

PDF İndir

  1. Tez No: 974502
  2. Yazar: HAFIZ USMAN NASEER
  3. Danışmanlar: Prof. Dr. METİN MURADOĞLU
  4. Tez Türü: Doktora
  5. Konular: Makine Mühendisliği, Mechanical Engineering
  6. Anahtar Kelimeler: Hesaplamalı akışkanlar dinamiği (HAD), Computational fluid dynamics (HAD)
  7. Yıl: 2025
  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

Sonlu-farklar/arayüz-izleme yöntemi kullanılarak çok fazlı viskoelastik akışların ara-yüz çözümlü doğrudan sayısal simülasyonları yapılmış ve bu karmaşık akış rejimlerinin en girift dinamikleri araştırılmıştır. Simülasyonlarda sürfaktan (yüzey-aktif maddesi) etkileri de göz önünde bulundurulmuştur. Akış denklemleri, viskoelastik model denklemleri ve sürfaktan evolüsyon denklemleriyle birlikte tamamıyla bağlaşık bir şekilde çözülmüştür. Bu bağlaşımda yüzey gerilmesi ara-yüzeydeki sürfaktan konsantrasyonuna doğrusal olmayan bir hâl denklemiyle bağlanmıştır. İlk olarak, kaldırma kuvveti etkisiyle durgun bir viskoelastik akışkanda içerisinde yükselen iki kabarcığın ardında oluşan negatif girdap fenomenini incelenmiştir. Birbirine doğru eğilen uzun girdapların oluşumuna ek olarak, iki kabarcıklı sistemde yanal simetrinin de bozulduğu gösterilmiştir. Paralel kabarcıkların yükselme hızının kabarcık-kabarcık etkileşimleri nedeniyle tek bir kabarcığa kıyasla biraz daha düşük kaldığı gözlenmiştir. Kabarcıklar başlangıçta düşey yönde bir ofset ile konumlandırıldığında ise simetrinin bozulduğu tespit edilmiştir. Daha sonra ise basınç tahrikli viskoelastik kanal akışında deforme olabilen bir kabarcığın yanal hareketi araştırılmıştır. Atalet kaynaklı kuvvetler kabarcığı kanal duvarına doğru iterken, elastik kuvvetler ve deformasyonun kabarcığı kanal merkezine doğru sevk ettiği gösterilmiştir. Atalet kuvveti, elastik kuvvet ve kabarcık deformabilitesi arasındaki bu etkileşim kabarcığın yanal hareketinin yönünü ve nihai denge konumunu belirlediği bulunmuştur. Duvara doğru hareket eden bir kabarcığın indüklediği ikincil akış hızının benzer akış koşullarında küresel bir katı parçacığın indüklediğinden bir mertebe daha yüksek olduğu tespit edilmiştir. Bu davranışın nedeni ise kabarcık yüzeyindeki kayma sınır koşulunun varlığına atfedilmiştir. Kabarcığın basınç tahrikli kanaldaki yanal hareketi incelendikten sonra yine aynı kanalda kabarcık enjeksiyonu ile laminer akıştan türbülanslı akışa geçişi sağlayacak yeni bir mekanizma ve yöntem bulunmuştur. Bu yöntemde, tek fazlı viskoelastik laminer akışa ani olarak kabarcıklar enjekte edilmekte ve bu sayede laminer akıştan Elasto-Ataletsel Türbülans (EIT) akış rejimine çok düşük Reynolds sayısı (Re=10) ve çok düşük Weissenberg sayısı (Wi=1) değerlerinde bile geçiş sağlanabilmektedir. Bunun nedeni kabarcık arayüzleri boyunca eğrisel akım çizgilerinin oluşması ve bu eğriliğin akış kararsızlığını tetikleyerek türbülanslı akışa geçişi sağlamasıdır. Enerji spektrumu bu düşük Weissenberg sayılı çok-fazlı EIT akış rejimi için −2 ölçeklenmesini göstermektedir. Bu ölçeklenme kabarcık boyutundan veya sayısından etkilenmemekte olup evrensel bir enerji transfer mekanizmasına delalet etmektedir. Ayrıca, belli koşullar altında kabarcıkların kanal merkezinde sicim şeklinde hizalandıkları tespit edilmiştir. Katı parçacıklar için literatürde yapılan gözlemlerin aksine, kayma-incelmesi etkisinin artmasının kabarcık hizalanmasının bozulmasına neden olduğu tespit edilmiştir. Son olarak, çok-fazlı türbülanslı akışa polimer eklenmesinin sürtünme kaynaklı sürükleme kuvveti üzerindeki etkileri incelenmiştir. Simülasyonlar yüksek sürükleme azalması (high-drag-reduction (HDR)) ve maksimum sürükleme azalması (maximum-drag-reduction (MDR)) rejimleri için yapılmıştır. Kabarcıkların kanal duvarında birikmesini önlemek için akışa sürfaktan ilave edilmiştir. Simülasyonlarda Reynolds sayısı Re=5600 değerinde sabit tutulmuştur. Basınç-tahrikli bir kanaldaki Newtonsal türbülanslı akışa az miktarda polimer eklenerek viskoelastik hâle getirildiğinde sürüklemede %49'luk bir azalma olduğu gözlenmiş olup bu HDR rejimine delalet etmektedir. Bu HDR rejiminde Reynolds gerilmesi azalmış olmasına rağmen hala polimer gerilmesinden daha yüksektir. MDR rejiminde ise, tek-fazlı akışın Reynolds gerilmesi polimer gerilmesinin altına düşerek %68'lik bir sürükleme azaltımı elde edilmiş ve akışın elastik etkiler tarafından domine edildiği gözlemlenmiştir. Bu rejimde, kabarcık enjeksiyonu kabarcık konsantrasyonuna bağlı olarak tekdüze olmayan etkiler yaratmıştır: Düşük kabarcık konsantrasyonu durumunda Reynolds gerilmesi, ortalama akım kaynaklı türbülans üretimi ve türbülans kinetik enerjisi artırırken, daha yüksek konsantrasyon durumunda bu büyüklüklerin azaldığı tespit edilmiştir. Ancak, bu etkiler kanalın orta bölgesiyle sınırlı kalmış ve sürükleme artışına neden olmamıştır. Ayrıca, çok-fazlı HDR ve MDR rejimlerinde türbülans kinetik enerjisi spektrumunun -2 ölçeklenmesi gösterdiği ve Weissenberg sayısından bağımsız olduğu bulunmuştur.

Özet (Çeviri)

Interface-resolved direct numerical simulations of multiphase viscoelastic fluid flows have been performed by using a high fidelity finite-difference/front-tracking method to explore some of the most complex dynamics of these intricate flow regimes. Surfactant contamination is also considered. The flow equations are solved fully coupled with the viscoelastic model equations and the equations governing interfacial and bulk surfactant concentrations. The latter coupling is accomplished by a nonlinear equation of state that relates the surface tension to the surfactant concentration. Simulations are first performed to study the phenomenon of negative wakes generated behind a pair of bubbles rising in an otherwise quiescent viscoelastic fluid under buoyancy. It is found that, in addition to the formation of long tails that tilt towards each other, the lateral symmetry is also broken in the two-bubble system. The rise velocity of the parallel bubbles remains slightly smaller than that of the single bubble due to bubble-bubble interactions. Symmetry observed in the case of parallel bubble pairs is broken when bubbles are initialized by an initial offset in vertical direction. Next, lateral migration of a deformable bubble in a viscoelastic pressure driven channel flow is studied. It is found that the forces induced by fluid inertia push a bubble towards wall while elasticity and deformability pull it towards channel center. This interplay between fluid inertia, elasticity, and bubble deformability determines the orientation of bubble migration in the channel and its final equilibrium position. It is shown that secondary flow velocity induced by a bubble migrating towards wall is an order of magnitude higher than the one induced by a solid particle under similar flow conditions. This behavior is attributed to the slip condition on the bubble surface. Then, a novel mechanism of achieving an elasto-inertial turbulent (EIT) state by injecting bubbles into a pressure-driven viscoelastic channel flow under the conditions for which a single-phase flow remains laminar is demonstrated even for the Reynolds number as low as Re = 10 and a Weissenberg number as low as Wi = 1. It is found that curved streamlines across the bubble interfaces provide the necessary condition to trigger an elastic instability that leads to a fully chaotic motion even at very low Reynolds and Weissenberg numbers for which the single-phase flow remains completely laminar. The energy spectra shows a scaling of −2 for this multiphase EIT regime. It is also found that bubbles move towards the channel centerline and form a string-shaped alignment pattern in the core region at lower values of Re = 10 and Wi = 1. Unlike solid particles, increasing shear-thinning effect tends to break up alignment of bubbles. Finally, interface-resolved direct numerical simulations are performed to investigate drag reduction by polymer additives in a bubbly turbulent channel flow in the presence of surfactant contamination for a fixed Reynolds number of Re = 5600. Simulations are carried out for the high-drag-reduction (HDR) and maximum-drag-reduction (MDR) regimes. It is shown that, once flow is made viscoelastic by polymer additives, an HDR regime is achieved with a drag reduction of 49%. It is found that Reynolds stress is reduced in this HDR regime but still remains higher than polymer stress. Injection of contaminated bubbles reduces Reynolds stress even further and drag is not increased. Reynolds stress in single-phase flow of maximum MDR regime reduces below the value of polymer stress with a drag reduction of 68% and flow is dominated by elastic effects. Injection of bubbles in this MDR regime produces non-monotonic effect. A small concentration of contaminated bubbles increases Reynolds stress, turbulence production by mean flow and turbulent kinetic energy whereas a higher concentration of bubbles in the MDR regime reduces all these quantities. However, these effects remain restricted to core region of the channel and do not increase drag. It is found that turbulent kinetic energy spectrum shows a scaling of −2 in both of these multiphase HDR and MDR regimes and this scaling is not affected by a change in bubble concentration.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    940970

    Serbest yüzeyli türbülanslı akışlarda bot ve benzeri katı cisimlere etkiyen dinamik yüklerin analizi ve tayini

    Analysis and determination of dynamic loads affecting boats and similar solid objects in free surface turbulent flows

    CEMAL HASAN CAN AKSOY

    Doktora

    Türkçe

    Türkçe

    2025

    Gemi Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Gemi ve Deniz Teknolojisi Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. ABDİ KÜKNER

  2. Tez No

    771753

    Computational modeling of airway closure

    Havayolu kapanmasının sayısal modellenmesi

    OĞUZHAN ERKEN

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2021

    Mühendislik BilimleriKoç Üniversitesi

    Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. METİN MURADOĞLU

  3. Tez No

    457768

    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

    İngilizce

    2016

    Polimer Bilim ve TeknolojisiYıldız Teknik Üniversitesi

    Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. ÖZGEN ÜMİT ÇOLAK

  4. Tez No

    541876

    Rupture status investigation of patient specific cerebral aneurysms by analysing hemodynamic factors using computational fluid dynamics

    Hesaplamalı akışkanlar dinamiği kullanarak hemodinamik faktörlerin analizi ile hastaya özgü beyin anevrizmalarının yırtılma durumu incelemesi

    GÜLBAHAR MERVE NARİNSES

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2018

    Bilim ve Teknolojiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Hesaplamalı Bilim ve Mühendislik Ana Bilim Dalı (disiplinlerarası)

    PROF. DR. MUSTAFA SERDAR ÇELEBİ

  5. Tez No

    733818

    Development and validation of a seismic isolation system for lightweight residential construction

    Az katlı konut yapıları için sismik izolasyon sisteminin geliştirilmesi ve geçerliliğinin araştırılması

    HÜSEYİN ÇİLSALAR

    Doktora

    İngilizce

    İngilizce

    2019

    İnşaat MühendisliğiState Unıversıty Of New York At Buffalo

    İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. MICHAEL C. CONSTANTINOU

Geri Dön