حل عددی جریان چندلایه هسته- حلقه با روان‌کار ویسکوپلاستیک به روش المان طیفی

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 دانشجو/ دانشگاه یزد

2 دانشگاه یزد

3 هیات علمی-دانشگاه یزد

4 استاد یار، دانشکده مهندسی مکانیک دانشگاه تهران

5 استاد یار، دانشگاه خلیج فارس

چکیده

هدف پژوهش حاضر شبیه‌سازی جریان چندلایه از نوع هسته- حلقه درون یک کانال دوبعدی است که در آن سیال نیوتنی در هسته قرار گرفته و بوسیله سیال ویسکوپلاستیک از نوع نظم‌یافته بینگهام به عنوان روانکار احاطه شده است. این شبیه‌سازی بر اساس تکنیک حجم سیال انجام گرفته، و در نواحی اختلاط دو سیال، تنش از درونیابی هارمونیک به دست آمده است. معادلات جریان و غلظت، به روش المان طیفی گسسته‌سازی مکانی شده‌اند. طرح تصحیح سرعت، به عنوان یک الگوریتم مرتبه بالا، برای جدا‌سازی متغیرهای سرعت و فشار برای جریان دو فاز با روان‌کار ویسکوپلاستیک توسعه، داده شده است. اعمال فرضیات جریان توسعه یافته، منجر به معادله غیر‌خطی در ناحیه پلاستیک جریان می‌شود که به صورت عددی حل شده و به عنوان حل نیمه تحلیلی شناخته می‌شود. این حل برای اعتبار سنجی نتایج المان طیفی، در کنار کارهای گذشته، استفاده شده است. اثر پارامترهای اصلی جریان، یعنی عدد بینگهام، نسبت لزجت دو سیال و ضخامت هسته، بر افت فشار و ضخامت ناحیه تسلیم نشده مورد ارزیابی قرار گرفته است. نتایج نشان می‌دهد که در عدد رینولدز ثابت، عدد بینگهام نسبت به ضخامت هسته و نسبت لزجت دو سیال، تأثیر بیشتری بر افت فشار و ضخامت ناحیه تسلیم نشده دارد. همچنین توزیع متغیرهای ثانویه، شامل لزجت ظاهری و تنش برشی، در مقطع کانال ارائه شده و نشان می‌دهد وجود اختلاط در مرز دو سیال در عدد پکله محدود، باعث تفاوت بین حل عددی و نیمه‌تحلیلی می‌گردد.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


عنوان مقاله [English]

Numerical solution of visco-plastically lubricated multi-layer core-annular flow using Spectral Element Method

نویسندگان [English]

  • Mehran Parsaei 1
  • Mohammad Sefid 2
  • Ali Akbar Dehghan 3
  • Azadeh Jafari 4
  • Ehsan Izadpanah 5
1 PhD Student/ Yazd University
2 Yazd University
3 Mech. Eng. Dept, Faculty of Engineering, Yazd University, IRAN
4 Assistant Professor, School of Mechanical Engineering
5 Assistant Professor, Persian Gulf University
چکیده [English]

The aim of this research is the simulation of multi-layer flows of the core-annular type in a 2-dimensional channels, in which the Newtonian fluid in the core is surrounded by a viscoplastic fluid of the regularized Bingham type as a lubricant. This simulation is based on the volume of fluid technique and in the mixing regions of the two fluids, the stress is achieved by harmonic interpolation. Flow and concentration equations are discretized spatially by spectral element method. The velocity correction scheme, as a high order algorithm, is developed for splitting the velocity and pressure variables for the viscoplastically lubricated two phase flow. Applying the developed flow considerations leads to a nonlinear equation in the plastic region of the flow, which is solved numerically and is called semi-analytic solution. This solution, along with previously published works, is used to validate the spectral element results. The effect of the main parameters of the flow, i.e. Bingham number, viscosity ratio and core thickness on the pressure drop and un-yielded region thickness is evaluated. The results show that, for constant Reynolds number, the Bingham number is the most effective parameter on the pressure drop and un-yielded region thickness, respect to the core flow thickness and viscosity ratio. Also the profiles of secondary variables, including apparent viscosity and shear stress, across the channel section is presented and show that in the interface of the fluids, there is a difference between numerical and semi-analytic solutions due to the mixing of the two fluids.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Spectral Element Method
  • Core-Annular Flow
  • Two-Dimensional Channel
  • Viscoplastic lubricant
  • Semi-Analytic Solution