مطالعه عددی تأثیر خواص الاستیک سیال بر برخورد مایل قطره بر لایه سیال

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 گروه حرارت و سیالات، دانشکده مهندسی مکانیک، دانشگاه صنعتی شاهرود، ایران

2 گروه سیالات، دانشکده مهندسی مکانیک، دانشگاه صنعتی شاهرود، شاهرود، ایران

3 گروه حرارت و سیالات، دانشکده مهندسی مکانیک، دانشگاه صنعتی شاهرود، شاهرود

4 دانشکده مهندسی شیمی، دانشگاه لاوال، کبک، کانادا

چکیده

در مقاله حاضر تشکیل و رشد تاج بر اثر برخورد مایل قطره بر لایه سیال در سیالات غیرنیوتنی ویسکوالاستیک به صورت عددی و در حالت دو بعدی تحت بررسی قرار گرفته است. از روش حجم محدود جهت مدلسازی معادلات حاکم و از روش حجم سیال جهت ردگیری سطح آزاد بین دو سیال استفاده شده است. در این مطالعه از مدل اولدروید- بی به عنوان معادله ساختاری جهت مدلسازی فاز سیال ویسکوالاستیک استفاده شده است. در تحلیل عددی حاضر تشکیل و رشد زمانی هندسه تاج مورد تاکید است و تأثیر نیروهای الاستیک سیال و کشش سطحی بر روی آن مورد بررسی و ارزیابی قرار گرفته است. نتایج بیانگر آن است که افزایش در مقدار عدد وایزنبرگ، نسبت ویسکوزیته و عدد وبر سبب افزایش در مقادیر ارتفاع (*Z) و طول پخش (*S) بدون بعد تاج در زمان‌های مختلف می‌شود. از طرفی در سیالات ویسکوالاستیک افزایش زاویه برخورد در کنترل متغیر ارتفاع Z* هندسه تاج اثر قابل ملاحظه‌ای دارد و از طرف مقابل تأثیر چشمگیری بر طول پخش *S ندارد. همچنین نتایج بیانگر آن است که با افزایش ضخامت لایه سیال ارتفاع تاج افزایش و تغییرات طول پخش تاج روند کاهشی به خود می‌گیرد. از مهمترین نتایج قابل حصول از تحقیق حاضر می‌توان به تأثیر شگرف توامان خاصیت الاستیک سیال و کشش سطحی بر گسترش ابعاد تاج تشکیل شده از برخورد مایل قطره سیال اشاره کرد.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


عنوان مقاله [English]

Numerical Investigation on the Fluid Elasticity Effect in the Impact of Oblique Drop onto Liquid Film

نویسندگان [English]

  • Mohammad Reza Rezaie 1
  • Mahmood Norouzi 2
  • Mohammad Hassan Kayhani 3
  • Seyed Mohammad Taghavi 4
1 Mechanical Engineering Department, Shahrood university of Technology, Shahrood, Iran
2 Faculty of Mechanical Engineering, Shahrood University of Technology, Shahrood, Iran
3 Mechanical Engineering Department, Shahrood University of Technology, Shahrood, Iran
4 Chemical Engineering Department, Laval University, Quebec, Canada
چکیده [English]

In this paper, the crown formation and temporal propagation due to the oblique impact of a plane two-dimensional drop onto preexisting film in the non-Newtonian viscoelastic fluid are analyzed numerically. The finite volume method is applied to solve the governing equations and the volume of fluid technique is used to track the free surface of liquid phases. Here, the well-known Oldroyd-B model is used as the constitutive equation for the viscoelastic phase. However, the formation and temporal evolution of the crown’s shape is emphasized and the effects of elastic and surface tension forces on the crown’s dynamic are considered in detail. The results show that the increase in Weissenberg number, viscosity ratio, and Weber number leads to an increase in both the dimensionless crown height (Z*) and spread factor (S*), while impact angle has a major effect on the control of the crown’s height, on the other hand, this parameter has a negligible effect on spread factor in viscoelastic fluid. Moreover, by thickening of fluid film, the crown’s height increase, and the crown’s radius decrease. As the main finding of the present study, the fluid’s elasticity in the presence of surface tension force can enhance the rate of the crown propagation in the impact of an oblique drop onto liquid film.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Viscoelastic non-Newtonian fluid
  • Oblique drop impact
  • Crown formation and propagation
  • Two phase flow
  • Volume of fluid
[1] M. Rieber, A. Frohn, A numerical study on the mechanism of splashing, International Journal of Heat and Fluid Flow, 20(5) (1999) 455-461.
[2] A.M. Worthington, A Study of Splashes, Longmans, Green, and Company, 1908.
[3] S.L. Manzello, J.C. Yang, An experimental study of a water droplet impinging on a liquid surface, Experiments in Fluids, 32(5) (2002) 580-589.
[4] M. Rein, Phenomena of liquid drop impact on solid and liquid surfaces, Fluid Dynamics Research, 12(2) (1993) 61-93.
[5] M. Rein, Wave Phenomena During Droplet Impact, in: S. Morioka, L. Van Wijngaarden (Eds.) IUTAM Symposium on Waves in Liquid/Gas and Liquid/Vapour Two-Phase Systems, Springer Netherlands, Dordrecht, 1995, pp. 171-190.
[6] G.E. Cossali, A. Coghe, M. Marengo, The impact of a single drop on a wetted solid surface, Experiments in Fluids, 22(6) (1997) 463-472.
[7] A.-B. Wang, C.-C. Chen, Splashing impact of a single drop onto very thin liquid films, Physics of Fluids, 12(9) (2000) 2155-2158.
[8] R. Rioboo, C. Bauthier, J. Conti, M. Voué, J. De Coninck, Experimental investigation of splash and crown formation during single drop impact on wetted surfaces, Experiments in Fluids, 35(6) (2003) 648-652.
[9] A.L. Yarin, D.A. Weiss, Impact of drops on solid surfaces: self-similar capillary waves, and splashing as a new type of kinematic discontinuity, Journal of Fluid Mechanics, 283 (2006) 141-173.
[10] Z. Levin, P.V. Hobbs, Splashing of Water Drops on Solid and Wetted Surfaces: Hydrodynamics and Charge Separation, Philosophical Transactions of the Royal Society of London. Series A, Mathematical and Physical Sciences, 269(1200) (1971) 555-585.
[11] G.E. Cossali, M. Marengo, A. Coghe, S. Zhdanov, The role of time in single drop splash on thin film, Experiments in Fluids, 36(6) (2004) 888-900.
[12] C. Josserand, S. Zaleski, Droplet splashing on a thin liquid film, Physics of Fluids, 15(6) (2003) 1650-1657.
[13] M.F. Trujillo, C.F. Lee, Modeling crown formation due to the splashing of a droplet, Physics of Fluids, 13(9) (2001) 2503-2516.
[14] I.V. Roisman, C. Tropea, Impact of a drop onto a wetted wall: description of crown formation and propagation, Journal of Fluid Mechanics, 472 (2002) 373-397.
[15] S. Mukherjee, J. Abraham, Crown behavior in drop impact on wet walls, Physics of Fluids, 19(5) (2007) 052103.
[16] G. Coppola, G. Rocco, L. de Luca, Insights on the impact of a plane drop on a thin liquid film, Physics of Fluids, 23(2) (2011) 022105.
[17] M. Cheng, J. Lou, A numerical study on splash of oblique drop impact on wet walls, Computers & Fluids, 115 (2015) 11-24.
[18] Z. Chen, C. Shu, Y. Wang, L.M. Yang, Oblique drop impact on thin film: Splashing dynamics at moderate impingement angles, Physics of Fluids, 32(3) (2020) 033303.
[19] T. Okawa, K. Kubo, K. Kawai, S. Kitabayashi, Experiments on splashing thresholds during single-drop impact onto a quiescent liquid film, Experimental Thermal and Fluid Science, 121 (2021) 110279.
[20] J. Lampe, R. DiLalla, J. Grimaldi, J.P. Rothstein, Impact dynamics of drops on thin films of viscoelastic wormlike micelle solutions, Journal of Non-Newtonian Fluid Mechanics, 125(1) (2005) 11-23.
[21] M.F. Tomé, L. Grossi, A. Castelo, J.A. Cuminato, S. McKee, K. Walters, Die-swell, splashing drop and a numerical technique for solving the Oldroyd B model for axisymmetric free surface flows, Journal of Non-Newtonian Fluid Mechanics, 141(2) (2007) 148-166.
[22] M.F. Tomé, S. McKee, K. Walters, A computational study of some rheological influences on the “splashing experiment”, Journal of Non-Newtonian Fluid Mechanics, 165(19) (2010) 1258-1264.
[23] D. Izbassarov, M.E. Rosti, M.N. Ardekani, M. Sarabian, S. Hormozi, L. Brandt, O. Tammisola, Computational modeling of multiphase viscoelastic and elastoviscoplastic flows, International Journal for Numerical Methods in Fluids, 88(12) (2018) 521-543.
[24] A. Mohammad Karim, Experimental dynamics of Newtonian non-elastic and viscoelastic droplets impacting immiscible liquid surface, AIP Advances, 9(12) (2019) 125141.
[25] M.R. Rezaie, M. Norouzi, M.H. Kayhani, S.M. Taghavi, Numerical analysis of the drop impact onto a liquid film of non-linear viscoelastic fluids, Meccanica,  (2021).
[26] A. Komeili Birjandi, M. Norouzi, M.H. Kayhani, A numerical study on drop formation of viscoelastic liquids using a nonlinear constitutive equation, Meccanica, 52(15) (2017) 3593-3613.
[27] R.B. Bird, R.B. Bird, R.C. Armstrong, O. Hassager, Dynamics of Polymeric Liquids, Volume 1: Fluid Mechanics, Wiley, 1987.
[28] C.W. Hirt, B.D. Nichols, Volume of fluid (VOF) method for the dynamics of free boundaries, Journal of Computational Physics, 39(1) (1981) 201-225.
[29] O. Shonibare, Numerical Simulation of Viscoelastic Multiphase Flows Using an Improved Two-phase Flow Solver,  (2017).