31874

شبيه‌سازي پديده شكست جت و تشكيل قطره براي سيال غيرنيوتني به كمك روش شبكه بولتزمن

كارشناسي ارشد

مهندسي مكانيك-تبديل انرژي

1400

1403/06/25

دكتر مجيد سياوشي

ندارم

مهندسي مكانيك

تجزيه، تحليل و شبيه‌سازي تشكيل قطرات و شكست جت سيال يك مسئله پيچيده و با كاربردهاي فراوان در زمينه‌هاي مختلف مهندسي مانند چاپ جوهرافشان، اسپري، توليد سلول خورشيدي، فرآوري مواد غذايي و ميكروكپسول‌ها است. در اكثر كاربرد‌هاي كپسوله‌سازي صنايع داروسازي و غذايي، مواد مورد استفاده حاوي ملكول‌هاي بزرگ مي‌باشند كه داراي خاصيت غير نيوتنوني و الاستيكي هستند. اين كاربردها همگي به كنترل اندازه و توزيع قطرات نياز دارند و هدف مشترك اغلب اين است تا حد امكان قطرات كوچك، يكنواخت، قابل كنترل و قابل تكرار بدست‌ آيد. روش‌هاي عددي قادر به شبيه‌سازي دقيق اين فيزيك و همچنين پيش‌بيني رژيم‌هاي مختلف جريان جت هستند. روش شبكه بولتزمن (LBM) يكي از روش‌هاي جديد ديناميك سيالات محاسباتي مي‌باشد و به‌طور گسترده در دهه گذشته توسعه يافته است كه در اين پژوهش براي شبيه‌سازي پديده شكست جت سيالات غيرنيوتني در هوا و تشكيل قطرات، توسعه يافته است. در اين پژوهش مدل سيال غيرنيوتني كروا استفاده شده است و از ويژگي‌هاي اين مسئله مي‌توان به نسبت بالاي چگالي (1054) و ويسكوزيته (3294) اشاره نمود. بسياري از مدل‌هاي شبيه‌سازي دوفاز و چندفاز در روش شبكه بولتزمن‌، به دليل ناپايداري و توليد سرعت‌هاي مجازي بالا در نسبت‌هاي چگالي و ويسكوزيته بالا، قادر به شبيه‌سازي دقيق اين مساله نيستند. در مطالعه حاضر، يك روش شبكه بولتزمن دوفازي سه‌بعدي بر اساس مدل حجم سيال(LBM-VOF) بهبود و توسعه يافته است. براي شبيه‌سازي از كدهاي عددي در كتابخانه منبع باز حل‌كننده موازي شبكه بولتزمن (پالابوس ) استفاده شده است. ابتدا نتايج به‌دست آمده با نتايج تجربي و عددي مقايسه و اعتبارسنجي شده‌اند. پس از آن، مدل LBM-VOF براي شبيه‌سازي رژيم‌ جت سيالات غيرنيوتني مختلف استفاده شده است. سپس ديناميك تشكيل جت سيال غيرنيوتني و تجزيه قطرات در محدوده‌هاي مختلف عدد وبر 1 تا 5 مورد بحث قرار گرفته است. و در انتها فركانس بهينه 130 هرتز براي جت سيال غيرنيوتني خون با وبر 5 به دست آمده است كه قطرات يكنواختي را توليد مي‌كند. نتايج نشان مي‌دهد كه مدل پيشنهادي LBM-VOF با دقت بالايي توانايي شبيه‌سازي رژيم هاي مختلف سيال غيرنيوتني و ويژگي‌هاي خاص آن‌ را دارد.

1403/09/24

Simulation of the jet breakup and droplet generation for non-Newtonian fluid using the Lattice Boltzmann method

9/15/2025 12:00:00 AM

The analysis and simulation of droplet formation and fluid jet breakup represent a complex issue with numerous applications across various engineering fields, including inkjet printing, spraying processes, solar cell production, food processing and microencapsulation. In most encapsulation applications within the pharmaceutical and food industries, the materials utilized contain large molecules that exhibit non-Newtonian and elastic properties. These applications all require precise control over droplet size and distribution, with a common objective of achieving droplets that are as small, uniform, controllable, and reproducible as possible. Numerical methods are capable of accurately simulating this physics and predicting various jet flow regimes. The Lattice Boltzmann Method (LBM) is a novel computational fluid dynamics approach that has been extensively developed over the past decade. In this study, it has been utilized to simulate the phenomenon of non-Newtonian fluid jet breakup in air, and droplet formation. Key characteristics of this problem include a high density ratio (1054) and high viscosity ratio (3294). Many two-phase and multiphase simulation models using the Lattice Boltzmann Method not able to accurately simulate this issue due to instability and the generation of high spurious velocities at elevated density and viscosity ratios. In the present study, a three-dimensional two-phase Lattice Boltzmann Method based on the Volume of Fluid (LBM-VOF) approach has been improved and developed. Numerical simulations were conducted using codes from the open-source Parallel Lattice Boltzmann Solver (PALABOS) library. Initially, the obtained results were compared and validated against experimental and numerical data. Subsequently, the LBM-VOF model was employed to simulate various regimes of non-Newtonian fluid jets. The dynamics of non-Newtonian fluid jet breakup and droplet formation were then discussed across different ranges of the Weber number from 1to5. Ultimately, an optimal frequency of 130 Hz was obtained for the non-Newtonian blood jet at a Weber number of 5, which generates uniform droplets. The results indicate that the proposed LBM-VOF model has a high accuracy in simulating various regimes of non-Newtonian fluids and their specific characteristics.

روش شبكه بولتزمن , تشكيل قطرات , شكست جت , سيال غيرنيوتني , روش LBM-VOF

Lattice Boltzmann method , droplet formation , non-Newtonian fluid , Jet breakup , LBM-VOF based method

Mohammad Mehdi Hesampour

Majid Siavashi