بررسی اثرات نسبت چگالی بر عملکرد مدل شبه‌پتانسیل در شبیه سازی جریان‌های چندفازی

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

دانشکده مهندسی مکانیک، دانشگاه صنعتی اصفهان، اصفهان، ایران

چکیده

در این پژوهش، قابلیت و عملکرد مدل توسعه‌یافته‌ شبه‌پتانسیل شان – چن برای شبیه‌سازی جریان‌های چندفازی در نسبت چگالی بالا مورد ارزیابی قرار گرفته است. این مدل در نرم افزار آزاد و متن‌باز پالابوس که جریان سیال را با استفاده از روش شبکه بولتزمن شبیه‌سازی می کند پیاده‌سازی شده است. برای این منظور چندین مساله رایج از جمله آزمون لاپلاس، جدایی فازها، به هم آمیختگی دو حباب، برخورد قطره با سطح جامد و مایع مورد تحقیق قرار گرفته‌اند. بر اساس آزمون لاپلاس این مدل قابلیت تعیین مقادیر مختلف کشش سطحی در نسبت چگالی‌های مختلف را دارد. همچنین این مدل می‌تواند جدایی خودکار فازها و شکل سطح مشترک را بخوبی پیش‌بینی نماید. البته سرعت همگرایی حل با افزایش نسبت چگالی کاهش می‌یابد. شبیه‌سازی اختلاط دو حباب دو مورد از ضعف‌های عمده‌ این مدل که جریان پارازیتی بزرگ و نوسانات سطح مشترک در نسبت چگالی بالا است را آشکار می‌سازد. در شبیه‌سازی برخورد قطره با سطح جامد، تاثیر نسبت چگالی که باعث تغییر در عدد وبر نیز می‌شود بررسی شده است. با کاهش کشش سطحی و افزایش عدد وبر (در اعداد رینولدز یکسان) مقدار بیشینه پخش قطره بر روی سطح بیشتر ولی حرکت نوسانی آن کاهش می‌یابد. در نهایت نتایج شبیه‌سازی فرایند پاشش نشان می‌دهند که عدد وبر اثرات قابل توجهی در جدایی بخشی از لایه‌ی تاجی شکل دارد.

کلیدواژه‌ها

موضوعات

عنوان مقاله [English]

Investigation of Density Ratio Effects on Performance of the Pseudo-Potential Model in Multiphase Flows Simulation

نویسندگان [English]

  • S. M. Khatoonabadi
  • M. Ashrafizaadeh
Department of Mechanical Engineering, Isfahan University of Technology, Isfahan, Iran
چکیده [English]

In this research, the performance and capability of the developed pseudo-potential Shan- Chen model for the simulation of multiphase flows with large density ratios are evaluated. This model is applied in the Palabos open source software which simulates fluid flows by means of the Lattice Boltzmann method. For this reason, some well-known multiphase benchmarks are investigated such as the Laplace law, the segregation, the bubbles coalescence and the droplet impact with solid and liquid surfaces. According to the Laplace law, this model is capable of determining a wide range of surface tensions in different density ratios. In addition, this model is able to predict the interface shape and phase segregation automatically very well. However convergence rate is reduced as the density ratio increases. The simulation of two bubbles coalescence reveals that large spurious current and large interface oscillation are the two main drawbacks of the pseudo-potential model. In the droplet impact with a solid surface simulation, the effects of density ratio which leads to a difference in the surface tension and the Weber number are considered. When the Weber number is increased, the maximum spread increases but its vacillation decreases. Ultimately, the results of the splash process show that the Weber number has a remarkable influence on the breaking of a part of the crown layer.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Shan-Chen model
  • Pseudo-potential model
  • Multiphase flows
  • Density ratio
  • Interface oscillation

مراجع

[1] G.R. McNamara, G. Zanetti, Use of the Boltzmann equation to simulate lattice-gas automata, Physical review letters, 61(20) (1988) 2332.
[2] A.K. Gunstensen, D.H. Rothman, S.e. Zaleski, G.Zanetti, Lattice Boltzmann model of immiscible fluids,Phys. Rev. A, 43 (1991) 4320-4327.
[3] D.H. Rothman, J.M. Keller, Immiscible cellularautomaton fluids, Journal of Statistical Physics, 52(3)(1988) 1119-1127.
[4] X. Shan, H. Chen, Lattice Boltzmann model for simulating flows with multiple phases and components,Physical Review E, 47(3) (1993) 1815.
[5] M.R. Swift, W.R. Osborn, J.M. Yeomans, Lattice Boltzmann Simulation of Nonideal Fluids, Phys. Rev.Lett., 75 (1995) 830-833.
[6] P. Yuan, L. Schaefer, Equations of state in a lattice Boltzmann model, Physics of Fluids, 18(4) (2006)042101.
[7] A.L. Kupershtokh, D.A. Medvedev, D.I. Karpov,On equations of state in a lattice Boltzmann method, Computers & Mathematics with Applications, 58(5)(2009) 965-974.
[8] S. Gong, P. Cheng, Numerical investigation of droplet motion and coalescence by an improved lattice Boltzmann model for phase transitions and multiphase flows, Computers and Fluids, 53 (2012) 93-104.
[9] L. Chen, Q. Kang, Y. Mu, Y.-L. He, W.-Q. Tao, A critical review of the pseudopotential multiphase lattice Boltzmann model: Methods and applications,International Journal of Heat and Mass Transfer, 76(2014) 210-236.
[10] A. Gupta, R. Kumar, Droplet impingement and breakup on a dry surface, Computers & Fluids, 39(9) (2010) 1696- 1703.
[11] D. Zhang, K. Papadikis, S. Gu, Application of a high density ratio lattice-Boltzmann model for the droplet impingement on flat and spherical surfaces, International Journal of Thermal Sciences, 84(Supplement C) (2014)75 - 85.
[12] D. Zhang, K. Papadikis, S. Gu, Three-dimensional multi-relaxation time lattice-Boltzmann model for the drop impact on a dry surface at large density ratio, International Journal of Multiphase Flow,64(Supplement C) (2014) 11 - 18.
[13] Q. Li, K.H. Luo, Thermodynamic consistency of the pseudopotential lattice Boltzmann model for simulating liquid–vapor flows, Applied Thermal Engineering, 72(1)(2014) 56 - 61.
[14] P.L. Bhatnagar, E.P. Gross, M. Krook, A Model for Collision Processes in Gases. I. Small Amplitude Processes in Charged and Neutral One-Component Systems, Physical Review, 94(1--12) (1954) 511-525.
[15] S. Succi, The lattice Boltzmann equation: for fluid dynamics and beyond, Oxford university press, 2001.
[16] M. Sbragaglia, R. Benzi, L. Biferale, S. Succi, K.Sugiyama, F. Toschi, Generalized lattice Boltzmann method with multirange pseudopotential, Physical Review E, 75(2) (2007) 026702.
[17] R. Benzi, L. Biferale, M. Sbragaglia, S. Succi, F.Toschi, Mesoscopic modeling of a two-phase flow in the presence of boundaries:The contact angle, PHYSICAL REVIEWE, 74 (2006) 021509.
[18] P. Yue, J.J. Feng, C. Liu, J. Shen, Diffuse-interface simulations of drop coalescence and retraction in viscoelastic fluids, Journal of Non-Newtonian Fluid Mechanics, 129(3) (2005) 163 - 176.
[19] C. Verdier, The influence of the viscosity ratio on polymer droplet collision in quiescent blends, Polymer,42(16) (2001) 6999 - 7007.
[20] E. Sattari, M. Aghajani Delavar, K. Sedighi, others, Investigation of two bubble coalescence with large density differences with Lattice Boltzmann Method, Modares Mechanical Engineering, 14(10) (2015).
[21] S. Bao-Wei, R. Feng, H. Hai-Bao, H. Qiao-Gao,Lattice Boltzmann simulation of liquid--vapor system by incorporating a surface tension term, Chinese Physics B,24(1) (2015) 014703.
[22] X.-P. Chen, C.-W. Zhong, X.-L. Yuan, Lattice Boltzmann simulation of cavitating bubble growth with large density ratio, Computers & Mathematics with Applications,61(12) (2011) 3577 - 3584.
[23] R. Rioboo, C. Tropea, M. Marengo, Outcomes from a drop impact on solid surfaces, Atomization and Sprays, 11(2) (2001).
[24] S. Quan, W. Li, S. Shen, Y. Guo, Simulation of Droplet Impact onto Horizontal and Inclined Solid Surfaces with Lattice-Boltzmann Method, Journal of Harbin Institute of Technology, 6 (2013) 014.
[25] R. Purvis, F.T. Smith, Droplet impact on water layers: post-impact analysis and computations, Philosophical Transactions of the Royal Society of London A:Mathematical, Physical and Engineering Sciences,363(1830) (2005) 1209-1221.
[26] J. Zou, Y. Ren, C. Ji, X. Ruan, X. Fu, Phenomena of a drop impact on a restricted liquid surface, Experimental Thermal and Fluid Science, 51 (2013) 332-341.
[27] L.V. Zhang, P. Brunet, J. Eggers, R.D. Deegan, Wavelength selection in the crown splash, Physics of Fluids, 22(12) (2010)122105.
[28] C. Josserand, S.e. Zaleski, phane, Droplet splashing on a thin liquid film, Physics of fluids, 15(6) (2003) 1650-1657.
[29] T. Lee, C.-L. Lin, A stable discretization of the lattice Boltzmann equation for simulation of incompressible two-phase flows at high density ratio, Journal of Computational Physics, 206(1) (2005) 16-47.
نشریه مهندسی مکانیک امیرکبیر
دوره 49، شماره 3
آبان 1396
صفحه 507-520

فایل ها

هم رسانی

ارجاع به این مقاله

آمار