حل عددی جریان چندلایه هسته- حلقه دو سیال با لزجتهای متفاوت به روش المان طیفی

نوع مقاله: مقاله مستقل

نویسندگان

1 دانشجوی دکترا، دانشکده مهندسی مکانیک، دانشگاه یزد، یزد، ایران

2 استاد، دانشکده مهندسی مکانیک، دانشگاه یزد، یزد، ایران

3 دانشیار، دانشکده مهندسی مکانیک، دانشگاه یزد، یزد، ایران

4 استادیار، دانشکده مهندسی مکانیک، دانشگاه تهران، تهران، ایران

5 استادیار، دانشکده مهندسی، گروه مکانیک، دانشگاه خلیج فارس، بوشهر، ایران

10.22044/jsfm.2019.7717.2762

چکیده

هدف از این مقاله توسعه یک الگوریتم جداسازی مرتبه بالا جهت شبیه‌سازی جریان چندلایه حلقه- هسته دو سیال با ویسکوزیته‌های مختلف درون کانال دوبعدی است. برای این شبیه‌سازی، معادلات جریان سیال تراکم ناپذیر (ناویر- استوکس) و معادله غلظت (کسر حجمی) حل شده‌اند. جریان دوفاز بر اساس تکنیک حجم سیال و با استفاده از درونیابی هارمونیک مدل شده است. معادلات به لحاظ مکانی به روش المان طیفی گسسته‌سازی شده‌اند و برای انتگرال گیری زمانی نیز از روش آدامز- بشفورث استفاده شده است. طرح تصحیح سرعت به عنوان یک الگوریتم مرتبه بالا برای جداکردن متغیرها در اینجا توسعه داده شده است. برای اعتبار سنجی، نتایج عددی با حل تحلیلی جریان توسعه یافته مقایسه شده‌اند. این مقایسه شامل بررسی توزیع سرعت و گرادیان فشار است. همچنین درجه دقت روش عددی به لحاظ مکانی و زمانی مورد ارزیابی قرار گرفته است. شکل جریان حلقه- هسته به ازای تغییر پارامترهای گوناگون بررسی شده و با نتایج آزمایشگاهی و عددی مقایسه شده است. بررسی‌ها نشان می‌دهد که ضخامت ورودی هسته و عدد رینولدز دو پارامتر مهم در تعیین الگوی جریان حلقه- هسته می باشند.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


[1] Martínez-Palou R, Mosqueira M, Zapata B (2011) Transportation of heavy and extra-heavy crude oil by pipeline: A review. J Petrol Sci Eng 75(4): 274-282.

[2] Ooms G, Segal A, Van A (1983) A theoretical model for core-annular flow of a very viscous oil core and a water annulus through a horizontal pipe. Int J Multiphas Flow 10(1): 41-60.

[3] Bai R, Kelkar K,  Joseph D (1996) Direct Simulation of Interfacial Waves in a High Viscosity Ratio and Axisymmetric Core Annular Flow. J Fluid Mech 32: 1-34.

[4] Ghosh S, Das G, Das P (2010) Simulation of core annular downflow through CFD—A comprehensive study. Chem Eng Process 49(11): 122-128.

[5] Kaushik V, Ghosh S, Das G, Das P (2012) CFD simulation of core annular flow through sudden contraction and expansion. J Petrol Sci Eng 86(Supplement C): 153-164.

[6] Shi J, Gourma M, Yeung H (2017) CFD simulation of horizontal oil-water flow with matched density and medium viscosity ratio in different flow regimes. J Petrol Sci Eng 151(Supplement C): 373-383.

[7] d’Olce M, Martin J, Salin D, Talon L (2008) Pearl and mushroom instability patterns in two miscible fluids core annular flows. Phys Fluids 20(2): 14-24.

[8] Hormozi S, Burchard K, Frigaard I (2011) Multi-layer channel flows with yield stress fluids. J Non-Newton Fluid 166(5-6): 262-278.

[9] Patera A (1984) A spectral element method for fluid dynamics: Laminar flow in a channel expansion. J Comput Phys 54(3): 468-488.

[10] Karniadakis G, Sherwin S (1999) Spectral/hp Element Methods for CFD. Oxford University Press, New York.

[11] Fiétier N, Deville M (2003) Time-dependent algorithms for the simulation of viscoelastic flows with spectral element methods: applications and stability. J Comput Phys 186(1): 93-121.

[12] Jafari A, Fiétier N, Deville M (2010) A new extended matrix logarithm formulation for the simulation of viscoelastic fluids by spectral elements. Comput Fluids 39(9): 1425-1438.

[13] Karniadakis G, Israeli M, Orszag S (1991) High-order splitting methods for the incompressible Navier-Stokes equations. J Comput Phys 97(2): 414-443.

[14] Pourmoayed, A, Rahmati R, Gholami M (2018) A New Model for Two-Phase Flow in a Solar Still Improved by a Porous Layer. Journal of Solid and Fluid Mechanics 8(1): 171-182.

[15] Patankar S, (1980) Numerical Heat Transfer and Fluid Flow. Hemisphere Publishing Corporation.

[16] Le Bars M, Davaille A (2002) Stability of thermal convection in two superimposed miscible viscous fluids. J Fluid Mech 471: 339-363

[17] Bolis A (2013) Fourier Spectral/hp Element Method: Investigation of Time-Stepping and Parallelisation Strategies. PhD Thesis, in Department of Aeronautics. Imperial College London.

[18] Gear C, (1971) Numerical Initial Value Problems in Ordinary Differential Equations. Prentice Hall PTR.

[19] Cantwell C, Moxey D, Bolis A, Sherwin S (2015) Nektar++: An open-source spectral/ element framework. Comput Phys Commun 192: 205-219.