Tilbake til søkeresultatene

FRINATEK-Fri prosj.st. mat.,naturv.,tek

Turbulent particle suspensions

Tildelt: kr 2,3 mill.

Med en partikkelblanding mener vi små faste partikler fordelt i en strømmende fluid som enten kan være en væske eller gas. Denne blandingen utgjør således en to-fase strømning og som oftest er strømningen kaotisk og turbulent heller enn regulær og glatt. Det overveiende antall studier av slik to-fase strømning har antatt at partiklene er kuleformet. I realiteten avviker imidlertid partikkelformen fra den sfæriske. Dette gjelder eksempelvis for mikroorganismer som planteplankton i havet og vulkanske askepartikler i atmosfæren. I første delen av prosjektet undersøkte vi hvordan avlange partikler beveger seg og roterer. Vi brukte prolate sfæroider som modellpartikler og disse representer et spesialtilfelle av treaksiale ellipsoider. Vi simulerte turbulent strømning i en plan kanal og undersøkte hvordan de avlange partiklene orienterte seg i turbulensen og hvordan denne orienteringen varierte fra veggområdet til midten av kanalen. I en forenklet oppstilling fant vi at partiklene kan oppvise kaotisk rotasjon, men dette avhenger både av tregheten til partiklene og deres form (lengde). Resultater fra omfattende numeriske simuleringer har også blitt sammenlignet med data fra eksperimentelle målinger ved KTH i Stockholm. Der ble en løsning med trefiber latt renne nedover et svakt hellende plan - et såkalt vannbord. Trefibernes orientering er spesielt viktig for kvaliteten til sluttproduktet i papirproduksjon. Sammen med en gruppe ved universitetet i Udine i Italia har vi nylig foretatt omfattende undersøkelser av hvordan langstrakte partikler beveger seg forskjellig fra den omkringliggende strømningen. Den såkalte slip-hastigheten ble funnet over et stort parameterområde (partikkelform og partikkeltreghet). Vekselvirkningene mellom kuleformede partikler og turbulent strømning har også blitt studert i detalj for bedre å kunne forstå hvordan energi overføres mellom partiklene og fluidfasen. Vi innførte det nye konseptet partikkeldissipasjon som et mål på tapet av mekanisk energi fra fluid-partikkel blandingen. Vi benyttet en kontinuummekanisk modell for partikkelstrømningen basert på teori for mikro-polare fluider og vi kunne dermed foreslå en bro over gapet mellom konvensjonell kontinuummekanisk modellering og vår egen Lagrangske tilnærming ved hjelp av diskrete punkt-partikler. Nesten alle studiene våre har blitt utført i en plan kanalstrømning. Derfor har vi sammen med universitetet i Berkeley (California) studert hvordan den høye anisotropien til fluidrotasjonen nær kanalveggene nesten forsvinner i midten av kanalen. Dette vil ha avgjørende betydning for anisotropien til partikkelrotasjonen i de forskjellige områdene av kanalen. Undersøkelsene våre ble utvidet til også å omfatte oblate sfæroider i tillegg til prolate sfæroider. Dermed kunne vi undersøke hvor forskjellig flate og lange partikler orienterer seg og roterer. Denne nye studien ble fulgt opp av en undersøkelse av treghetsløse sfæroider i kanalstrømning. Slike partikler følger passivt med strømningen men likevel roterer de på en annen måte enn fluiden. Avslutningsvis har vi studert oppførselen til elliptiske partikler uten aksesymmetri, det vil si med tre forskjellige akser. Vi observerte da at disse dels kunne rotere som prolate spheroider og dels som oblate spheroider og rotasjonsmønsteret viste seg å avhenge av lengdeforholdene mellom de tre partikkelaksene. Nærmere 50 forskere deltok på EUROMECH kollokvium nr 566 om Anisotropic Particles in Turbulence som prosjektleder organiserte ved NTNU i Trondheim i juni 2015. Prosjektstipendiat Niranjan R. Challabotla disputerer for doktorgraden 11. november 2016 med avhandlingen Nonspherical particle suspension in wall turbulence.

Suspensions of tiny solid particles in a carrier fluid are most often treated as a mixture of solid spheres and a gas or liquid fluid phase. In practice, however, the particle shape is different from spherical, for instance micro-organisms like phytoplank ton in the ocean and volcanic ash particles in the atmosphere. We aim to study the motion of more complex particles for which a tri-axial ellipsoid will serve as the prototype. Both the translational and rotational motion of such particles will be studied in a variety of different computer experiments. Some of the simulations will be supplemented by laboratory measurements and flow visualisations in a water-table flow at KTH in Stockholm. Different combinations of the ratios between the three semi-axes of the ellipsoids will studied and results also compared with the limiting case of prolate spheroids. The dynamics of ellipsoidal particles in massively separated flows will also be investigated. The project aims to add further insight into the dynamics o f tri-axial ellipsoidal particles. A continuum model of particulate flow based on micro-polar fluid theory will be examined in great detail and compared with data from the computer simulations. We believe that we will be able to bridge the gap between the continuum mechanical modelling and the discrete Lagrangian point-particle approach which is to be used in the computational experiments.

Publikasjoner hentet fra Cristin

Ingen publikasjoner funnet

Ingen publikasjoner funnet

Budsjettformål:

FRINATEK-Fri prosj.st. mat.,naturv.,tek