شبیه سازی عددی قطرات شناور در جریان برشی تحت اثر نیروی گرانش

حرکت قطرات شناور در سیال دارای دامنه ای وسیع از کاربردها است که شامل جریان آب و نفت در خط لوله، بازیابی نفت از سنگ های متخلخل و تهیه پلیمرها می باشد. پیش بینی رئولوژی جریان و حرکت ریزساختارها برای این کاربردها ضروری است. مهاجرت جانبی ذرات شکل پذیردر جریان برشی موضوع بسیاری ازتحقیقات بوده است. مهاجرت جانبی اجسام شناور در سیال دیگر در فرآیندهای انتقالی بسیار مهم است، که جرم، مومنتوم و انرژی تغییر می کند. در این رساله، مطالعه عددی سوسپانسیون قطرات در جریان برشی ساده و در اعداد رینولدز محدود در یک دامنه پریودیک صورت گرفته است. این روش بر مبنای نوشتن یک دسته معادله بقا برای کل دامنه حل است، به گونه ای که هر فاز به صورت یک سیال با خواص مادی متغیر رفتار می کند. روش توصیف شده و به کار رفته در این رساله، ترکیبی از تکنیک های تسخیر و ردیابی قطره است. یک شبکه ساکن منظم برای جریان سیال استفاده می شود اما سطح مشترک با استفاده از یک شبکه مجزا با بعد پایین تر ردیابی می شود. مهاجرت جانبی تک قطره شناور در جریان برشی به صورت عددی در حالت دوبعدی بررسی شده است. در حرکت تک قطره، تاثیر اعداد بدون بعد رینولدزکانال، رینولدز گرانش، نسبت چگالی، نسبت چسبندگی، اندازه قطره و کپیلاری بر پارامترهای جریان نظیر مسیر حرکت قطره، سرعت قطره، سیرکولاسیون و تغییر شکل قطره بررسی شده است. با افزایش عدد رینولدز نیروی لیفت اعمالی به قطرات افزایش یافته و قطرات به مکان های تعادلی بالاتری در جریان منتقل می شوند و همچنین قطرات سنگین تر به علت وزن بیشتر نسبت به قطرات سبک تر به مکان های پایین تر در جریان انتقال می یابند. در یک عدد رینولدز قطره ثابت با افزایش نسبت چسبندگی، قطرات به مکان های تعادلی بالاتری در جریان منتقل می شوند و همچنین در یک نسبت چسبندگی ثابت با افزایش عدد رینولدز قطره، ارتفاع مکان تعادل قطرات نیز افزایش می یابد. در یک عدد رینولدز قطره ثابت با افزایش عدد کپیلاری یا اندازه قطره، قطرات به مکان های تعادلی بالاتری در جریان منتقل می شوند و نسبت به دیواره فاصله می گیرند. مقایسه نتایج حاصل از شبیه سازی با تحقیقات قبل، تطابق بسیار خوبی بین نتایج را نشان می دهد. در قسمت دوم اثر اعداد بدون بعد مختلف روی سوسپانسیون قطرات شناور در جریان برشی بررسی شده است و متوسط مکان قطرات در کانال، انرژی اغتشاشی جریان و توزیع قطرات در کانال در اعداد رینولدز کانال، رینولدز گرانش ونسبت چگالی های مختلف آورده شده است. در این بررسی سعی شده است تا مشخص شود چه موقع جریان رفتار سیال گونه و چه موقع رفتار جامدگونه از خود نشان می دهد. با افزایش عدد رینولدز کانال نرخ برش افزایش یافته و اثر جریان روی مناطق سکون افزایش می-یابد. قسمت هایی از جریان که قبلا شرایط شبه سکون را تجربه می کردند به تدریج سرعت گرفته و وارد ناحیه سیال گونه جریان می-شوند و به این ترتیب از انباشتگی قطرات در کف کانال کاسته شده و متوسط مکان تعادل قطرات در کانال افزایش می یابد. با افزایش عدد رینولدز گرانش، ارتفاعی از کانال که گذار بین حالت جامدگونه و سیال گونه اتفاق می افتد کم شده و سبب کاهش مقدار انرژی اغتشاشی در ناحیه سیال گونه جریان می شود. با افزایش نسبت چگالی، تاثیر نیروی وزن روی قطرات بیشتر شده و متوسط مکان قطرات در کانال کاهش می یابد.