بررسی رفتار دینامیکی و الگوی جریان دوفازی قطره در حال سقوط با استفاده از روش عددی شبکه بولتزمن

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 استادیار، مهندسی مکانیک، دانشگاه آزاد اسلامی، واحد آیت الله آملی، آمل، ایران

2 کارشناس ارشد، مهندسی مکانیک، دانشگاه صنعتی نوشیروانی بابل، بابل، ایران

3 استادیار، مهندسی مکانیک، دانشگاه آزاد اسلامی، واحد ساری، ساری، ایران

چکیده

در این تحقیق، سقوط آزاد قطره در یک سیال لزج در کانال دو بعدی مستطیلی بصورت عددی با روش شبکه­ی بولتزمن مدل پتانسیل بین ذره­ای مطالعه می­شود. برای اعتبارسنجی شبیه­سازی حاضر، نتایج عددی حاضر با نتایج محققان پیشین مقایسه می­شود. مقایسه بین نتایج، دقت روش عددی حاضر در شبیه سازی جریان های دوفازی را نشان می­دهد. اطلاعات کمی در مورد متغییرهای جریان از جمله رفتار قطره، خطوط جریان و گردابه­های موجود در دنباله قطره در دو حالت مورد بررسی قرار می­گیرد: الف) سقوط آزادانه یک قطره منفرد و  ب) سقوط دو قطره یکسان در آرایش پشت ­سر هم. نتایج نشان می­دهد که برای یک قطره در حال سقوط با افزایش عدد اتوس گردابه­ پشت قطره بزرگ­تر شده می­شود و آشفتگی جریان بیستر می­شود در حالیکه با افزایش عدد اونسورج عکس این روند دیده می­شود. برای سقوط دو قطره در آرایش پشت سر هم، سرانجام دو قطره به هم برخورد کرده و منعقد می شوند و تشکیل قطره بزرگتر تقریباً دو برابر قطره اولیه را می دهند. در نهایت قطره در نتیجه اینرسی زیاد قطره شکل گرفته شده، می­شکند.

کلیدواژه‌ها


[1] Briant A. J., Wagner A. J., and Yeomans J. M., Lattice Boltzmann simulations of contact line motion. I. Liquid-gas systems, Phys. Rev. E., Vol. 69, 031602 _2004.

[2] Han J., and Tryggvason G., Secondary breakup of axisymmetric liquid drops. I: Acceleration by a constant body force, Journal of Physics of Fluids, Vol. 11, pp. 3650-3667, 1999.
[3] Hua J., Lou J., Numerical simulation of bubble rising in viscous liquid, Journal of Computational Physics, Vol. 222, pp. 769–795, 2007.
[4] Nemati H., Farhadi M., Sedighi K., Fattahi E., and Darzi A., Lattice Boltzmann simulation of nano fluid in lid-driven cavity, Int. Commun. Heat Mass Transfer, Vol. 37, pp. 1528-1534, 2010.
 [5] Mehrizi A.A., Farhadi M., Afroozi H.H., Sedighi K., Darz A.R., Mixed convection heat transfer in a ventilated cavity with hot obstacle: effect of nanofluid and outlet port location, Int. Commun. Heat Mass Transfer, Vol. 39, pp. 1000–1008, 2012.
[6] Afrouzi H.H., Farhadi M., and Mehrizi A.A.,Numerical simulation ofmicroparticles transport in a concentric annulus by lattice Boltzmann method, Adv. Powder Technol., Vol. 24, pp. 584- 575, 2013.
[7] Pormirzaagha H., Hassanzadeh Afrouzi H., and Abouei Mehrizi A., Nano-particles transport in a concentric annulus: a lattice–Boltzmann approach, J. Theor. Appl. Mech. , 2015.
[8] Yan C., Hao L., Hussein A., and Raymont D., Evaluations of cellular lattice structures manufactured using selective laser melting, Int. J. Mach. Tools Manuf., Vol. 62, pp. 38-32,2012.
 [9] Jourabian M., Farhadi M., and Darzi A.A.R., Outward melting of ice enhanced by Cu nanoparticles inside cylindrical horizontal annulus: lattice Boltzmann approach, Appl. Math. Model. Vol. 37, pp.8813–8825, 2013.
[10] Mehrizi A.A., Farhadi M., Sedighi K., Delava M.A., Effect of fin position and porosity on heat transfer improvement in a plate porous media heat exchanger, J. Taiwan Inst. Chem. Eng., Vol. 44, pp. 420–431, 2013.
[11] Mehrizi A.A., Farhadi M., Sedighi K., Aghili A.L., Lattice Boltzmann simulation of heat transfer enhancement in a cold plate using porous medium, J. Heat Transf., Vol.135, pp. 111006, 2013.
 [12] Chen S., Doolen G. D.; Lattice Boltzmann method for fluid flows, Annu Rev Fluid Mechanics, Vol 30, 329-3 64, 1998
[13] Wolf-Gladrow D. A., Lattice gas cellular automata and Lattice Boltzmann method, an introduction. Berlin: Springer, 2000.
[14] Succi S., The Lattice Boltzmann equation for fluid dynamics and beyond, Oxford, Clarendon Press, 2001.
[15] Sukop M. C., Thorne D. T.; Lattice Boltzmann modeling, an introduction for geoscientists and engineers, Berlin, Springer, 2005
[16] Yu D, Mei R, Luo L S, Shyy W; Viscous flow computations with the method of Lattice Boltzmann equation, Prog Aerospace Sci, Vol 39, 329, 2003.
[17] Fakhari A., and Rahimian M. H., Simulation of falling droplet by the lattice Boltzmann method, Communication Nonlinear Science and Numerical Simulation, Vol. 14, pp. 3046–3055, 2009.
[18] Mousavi Tilehboni S .E., Sedighi k., Farhadi M. and Fattahi E., Lattice Boltzmann Simulation of Deformation and Breakup of a Droplet under Gravity Force Using Interparticle Potential Model, International Journal of Engineering, Vol 26, pp 781-794, 2013.
[19] Mosavi Tilehboni S. E., Fattahi E., Hassanzadeh Afrouzi H., Farhadi M., "Numerical simulation of droplet detachment from solid walls under gravity force using lattice Boltzmann method," Journal of Molecular Liquids, pp 544–556, 2015
[20] Zheng H W, Shu C, Chew Y T, "A lattice Boltzmann model for multiphase flows with large density ratio," Journal of Computational Physics, vol. 218, pp. 353–371, 2006.
[21] Tryggvason G., Bunner B., Esmaeeli A., Juric D., Al-Rawahi N., Tauber W., Han J., Nas S., and Jan Y. J., "A Front-Tracking Method for the Computations of Multiphase Flow," Journal of Computational Physics, vol. 169, pp. 708–759, 2001.
[22]         Fakhari A., and Rahimian M. H., "Investigation of deformation and breakup of a falling droplet using a multiple-relaxation-time lattice Boltzmann method," Journal of Computers & Fluids, vol. 40, pp. 156–171, 2011.
[23] Sattari E., Aghajani Delavar M., Fattahi E. and Sedighi K., "Two and Three Dimensional Investigation of Bubble Rising in High Density Ratio," Physics Journal, vol 1, pp 1-9, (2015).
 [24]        Amaya Bower L., Lee T., "Single bubble rising dynamics for moderate Reynolds number using Lattice Boltzmann Method," Computers & Fluids, vol. 39, pp. 1191–1207, 2010.
 [25] Gunstensen A. K, Rothman D. H., Zaleski S., and Zanetti G., "Lattice Boltzmann model of immiscible fluids," Physical Review A, vol. 43, pp. 4320–4327, 1991.
 [26] Swift M. R., Osborn W. R., and Yeomans J. M., Lattice Boltzmann simulation of nonideal fluids, Physical Review. Letters, Vol. 75, pp. 830–833, 1995.
[27] Swift M. R., Orlandini E., Osborn W. R., and Yeomans J. M., Lattice Boltzmann simulations of liquid-gas and binary fluid systems, Physical Review E , Vol. 54, pp. 5041-5052, 1996.
[28] He X., Shan X., and Doolen G. D., Discrete Boltzmann equation model for nonideal gases, Physical Review E, Vol. 57, pp. R13-R16, 1998.
[29] Shan X., and Chen H., Lattice Boltzmann model for simulating flows with multiple phases and components, Physical Review E, Vol. 47, pp. 1815-1819, 1993.
[30] Bhatnagar P. L., Gross E. P., and Krook M., A model for collision process in gases, I. Small amplitude processes in charged and one-component system, Physical Review A, Vol. 94, pp. 511-525, 1954.
[31]Shan X., and Doolen G. D., "Multi-component lattice-Boltzmann model with interparticle interaction," Journal of Statistical Physics, Vol. 81, pp. 9503001(1-18), 1995.
[32] Jalaal M, Mehravaran K, Fragmentation of falling liquid droplets in bag breakup mode, International Journal of Multiphase Flow, Vol. 47, pp. 115–132, 2012.
[33] Yu Mei Y., Chao Y., Yi. J., Ameya J., YouChun S., Long Y. X., Numerical simulation of immiscible liquid-liquid flow in microchannels using lattice Boltzmann method," Science China Chemistry, Vol. 54, pp. 244–256, 2011.
[34] Huang H., Thorne D. T., Schaap M G., and Sukop M., Proposed approximation for contact angles in Shan-and-Chen-type multicomponent multiphase lattice Boltzmann models, Journal of Physical Review E, Vol. 76, pp. 066701(1-6), 2007.
[35] Amaya-Bower L., and Lee T., Single bubble rising dynamics for moderate Reynolds number using Lattice Boltzmann Method, Computers & Fluids, Vol. 39 , pp. 1191–1207, 2010.