Numerical simulation and prediction of non-Newtonian fluid flows

QC260317

Abstract

Icke-newtonska vätskor, såsom viskoelastiska och elasto-viskoplastiska (EVP) material, är vanliga inom olika industrier och i naturen. De har komplexa flödesbeteenden som — jämfört med newtonska — vätskor — kan förändra flödet över flera skalor. Dessa vätskors dynamik styrs av ytterligare elastiska och plastiska spänningar, vilket gör att flödet kan ändra karaktär (regim) både i gränsytfenomen och i turbulenta flöden. Denna avhandling undersöker hur elasticitet och flytspänning (yield stress) tillsammans påverkar multifasflöden och kanoniska väggbundna flöden, samt hur datadrivna metoder kan användas för att uppskatta spänningsfält som inte är experimentellt åtkomliga. Studien bygger på direkta numeriska simuleringar (DNS) av viskoelastiska och EVP-flöden, i kombination med grundläggande konvolutionella neurala nätverk (CNN) för icke-intrusiv avkänning i turbulenta konfigurationer.

Vi studerar först hur komplex reologi påverkar dynamiken av den fria ytan av ett EVP-material när en luftbubbla brister på ytan i ett EVP-medium, där den drivande kraften kommer från ytspänningen. DNS av bubbelbristning avslöjar hur elastiska spänningar och deras relaxation interagerar med flytspänningen i materialet-. Parameterutrymmet i studien spänns upp av Deborah-talet och det plasto-kapillära talet. Fyra distinkta regimer identifieras, från newtonsk-liknande jetbildning till flytspänningsdominerade tillstånd med begränsad jetutveckling.

Därefter analyseras vad som händer när en viskoelastisk droppe av polyakrylamidlösning träffar en superhydrofob yta med hög hastighet. Experimenten visar att viskoelastiska droppar — i kontrast till tidigare studier — kan återstudsa fullständigt även när newtonska droppar inte gör det. Detta sker via en ballongregim, där den återstudsande droppen formar ett tunt ligament som först tränger genom ytan, och sedan lossnar tillsammans med droppen likt ett gummiband. Regimen uppstår genom samspelet mellan ytegenskaper, vätskans genomträngning och starka elastiska spänningar som motverkar ligamentets avbrott. Med DNS visar vi att denna regim kan reproduceras numeriskt, förutsatt att kontaktlinjens dynamik modelleras tillräckligt väl. Med ett förenklat teoretiskt ramverk föreslår vi dessutom ett nödvändigt villkor för fullständig droppåterstuds.

I stänkregimen (splashing) för newtonska vätskor uppvisar viskoelastiskt droppnedslag förlängda fingrar. Ökad polymerkoncentration förstärker den viskösa dämpningen, vilket minskar antalet fingrar och till slut undertrycker fingringsinstabiliteter, samtidigt som fullständig återstuds bibehålls. Fingringens uppkomst och utveckling bestäms av konkurrensen mellan tröghets-, kapillär- och viskösa bidrag, och ett teoretiskt ramverk visas kunna förutsäga den tidsmässiga tillväxten av den karakteristiska ligamentlängden över olika reologiska förhållanden.

Vi övergår till ett kaotiskt flödesregim och studerar elasto-viskoplastisk kanalströmning vid låga Reynoldstal (Re=5-500), där viskoelastiska vätskor uppvisar elasto-inertiell turbulens ("early turbulence"). Vi visar att närvaron av flytspänning inte relaminariserar flödet, till skillnad från vad som kan observeras i inertiell turbulens i höga Reynoldstal. Vi visar vidare att EVP-spänningarna övergår från att vara nettosänkor till att bli nettokällor för turbulent kinetisk energi när materialets elasticitet ökar.

Eftersom turbulent icke-newtonsk strömning kräver en beskrivning av både hastighetsfältet och de extra spänningarna — där de senare i praktiken inte är experimentellt åtkomliga-utvecklar vi en metodik för att rekonstruera hastighets- och elastiska spänningsfält i viskoelastiska turbulenta kanalflöden utifrån väggmätningar. Vi visar att den föreslagna baslinjemetodiken kan lära sig en starkt icke-linjär avbildning mellan vägginformation och väggnära flödes- och spänningsfält, men att den samtidigt begränsas av förmågan att korrekt återge småskaliga strukturer. För att förbättra prestandan hos den icke-intrusiva avkänningsmetodiken i en experimentell kontext introducerar vi spektralt informerade förlustfunktioner, som testas i en newtonsk flödeskonfiguration inom ramen för avhandlingsarbetet och därefter kommer att utvidgas till icke-newtonska konfigurationer. Sammantaget ger resultaten i avhandlingen en samlad bild av hur flytspänningsvätskor beter sig i olika konfigurationer, samtidigt som de visar potentialen hos maskininlärningsbaserade, datadrivna metoder för att uppskatta annars otillgängliga spänningsfält i icke-newtonsk turbulens.

Link to DiVA