Experimental studies of large particles in Newtonian and non-Newtonian fluids

Tid: To 2019-09-26 kl 10.15

Plats: Kollegiesalen, Brinellvägen 8, Stockholm (English)

Ämnesområde: Teknisk mekanik

Respondent: Sagar Zade , Mekanik, SeRC - Swedish e-Science Research Centre, Linné Flow Center, FLOW

Opponent: Professor Ellen Longmire, Department of Aerospace Engineering and Mechanics, University of Minnesota

Handledare: Luca Brandt, Linné Flow Center, FLOW, Mekanik, Stabilitet, Transition, Kontroll, SeRC - Swedish e-Science Research Centre, Fysiokemisk strömningsmekanik, Processteknisk strömningsmekanik; Fredrik Lundell, Mekanik, Linné Flow Center, FLOW, Wallenberg Wood Science Center

Abstract

Man kan med visst fog hävda att turbulens är normen och laminär strömning mer ovanlig i vårt dagliga liv. Förståelsen av laminär strömning är å andra sidan bättre, vilket är naturligt eftersom det ofta är enklare att studera laminärt flöde än turbulens med sin kaotiska dynamik som sträcker sig över ett stort intervall av tids- och längdskalor. En parallell analogi vad gäller komplexitet och sofistikerad dynamik kan göras mellan enfas- och flerfasströmning. Det senare fallet är vanligast, men det är inte lika väl förstått och beskrivet på grund av att komplexiteten ökar snabbt när nya parametrar såsom partikelstorlek och koncentration införs. Det bör också nämnas att numeriska simuleringar dominerar i flerfasforskningen, varför det råder brist på detaljerade experimentella resultat, trots att dessa är viktiga både för validering av simuleringar och för att identifiera relevanta forskningsproblem.

Det här föreliggande avhandlingsarbetet har ambitionen att bidra med experimentella resultat på flerfasströmning. Fokus har huvudsakligen varit att förstå flöden av suspensioner (blandningar) med sfäriska partiklar i kanaler med kvadratiska tvärsnitt och måttligt hög koncentration av partiklar. Partiklarna som använts är brytningsindexmatchade (refraction-index-matching, RIM) och har studerats med PIV (particle image velocimetry). Fluider med newtonsk, viskoelastisk och elastoviskoplastisk reologi har använts. Sådana fluider förekommer i flöden både i naturen och i industriella tillämpningar. Experiment och direkta numeriska simuleringar (DNS) av turbulent strömning med sfäriska partiklar i ett rör med cirkulärt tvärsnitt har också genomförts för att utöka och generalisera observationerna i den kvadratiska kanalen.

Tack vare möjligheten att optiskt studera stora delar av strömningen vid relativt höga partikelkoncentrationer (maximalt 20 procent) har den turbulenta strömningen karakterisats i detalj. Med newtonsk fluid är tryckfallet, eller energin som krävs för att pumpa suspensionen, en komplicerad funktion av partikelstorlek och koncentration. Detta beror på att partikelfördelningen kan ha maxima antingen i mitten av röret/kanalen eller längs väggarna, vilket i sin tur påverkar skjuvspänningarna i systemet (turbulenta Reynolds-spänningar och partikelinducerade spänningar). Suspensioner med partiklar i viskoelastiska fluider uppvisar liknande tendens till migrering, men i detta fall samlas partiklarna i större utsträckning i kanalens mitt jämfört med det newtonska fallet (vid samma värde på det så kallade Reynoldstalet, en parameter som beskriver strömningen). Detta leder till en snabbare ökning av den totala spänningen, och därmed även tryckfallet, med  ökande koncentration. I det tredje fallet med den elastoviskoplastiska fluiden så strömmar den laminärt utan partiklar. När partiklar tillsätts uppstår turbulensliknande fluktuationer. Partiklarna fördelas i olika exotiska konfigurationer beroende på samspelet mellan de viskoelastiska krafterna och de sekundära strömningar som uppstår i kvadratiska kanaler. Slutligen har en kvantitativ jämförelse mellan simuleringar och experiment för partiklar som transporteras längs rörväggarna bidragit till att stärka tilliten till de båda angreppssätten.

Resultaten som presenteras i denna avhandling styrker tilltron till experimentellt utnyttjande av hydrogelpartiklar för att studera partikelsuspensioner vid måttligt höga koncentrationer. En naturlig fortsättning skulle kunna vara att studera mer komplexa geometrier än raka rör och kanaler med cirkulärt respektive kvadratiskt tvärsnittt. De experimentella resultaten vid högre Reynoldstal motiverar också numeriska simuleringar som kan undersöka den detaljerade fysiken bakom observationerna. Mätningarna av det totala strömningsmotståndet med tillhörande partikel- och spänningsfördelning bidrar till en komplett bild av turbulent suspensionsdynamik för ett stort intervall av strömningshastigheter och partikelstorlekar. Framtida studier, experimentella såväl som numeriska, kan inriktas mot att studera hur systemets känslighet är för viktiga parametrar som inte inkluderats i den här studien.

urn.kb.se/resolve?urn=urn:nbn:se:kth:diva-257681

Innehållsansvarig:Kerstin Gustafsson
Tillhör: Skolan för teknikvetenskap (SCI)
Senast ändrad: 2019-09-03