Numerisk simulering av strømning omkring anisotrope partikler

Abstract

I denne studien er uniform strømning og lineær skjærstrømning omkring partikler ved lave Reynoldstall simulert ved hjelp av den åpne programvaren OpenFOAM. Fra resultatene framkommer det at ved uniform strømning avtar motstandskoeffisienten C_D ved økende Re_D = U·2a/ν, mens det ved skjærstrømning er sett en ν tilsvarende reduksjon i momentkoeffisienten C_M ved økende skjær-Reynoldstall Re_γ ̇ = γ ̇ ·(2a)^2/ν . Her er U fristrømshastigheten i den uniforme strømningen, γ ̇ er skjærraten i skjærstrømningen, 2a er den karakteristiske lengden til partikkelen og ν er den dynamiske viskositeten til fluidet. For uniform strømning viser simuleringene en økning i C_D når vinkelen mellom hovedaksen til en avlang partikkel og strømningsretningen blir større. For C_M i en skjærstrømning er det også en økning når denne vinkelen blir større, men denne økningen er svært mye større enn for C_D i en uniform strømning.Resultatene av simuleringene er sammenlignet med Stokes-strømningen, strømning der treghetsleddet i Navier-Stokes likninger er neglisjert. Denne forenklingen er kun strengt gyldig hvis Reynoldstallet Re=0. Resultatene viser imidlertid at Stokes-strømningen kan være en god tilnærmelse ved strømning omkring partikler ved Re ulik null. For strømning med uniformt hastighetsfelt ser det ut til at løsningen er en god tilnærmelse for Re_D opp mot 1. Over denne grensen begynner avviket derimot å bli betydelig. I lineær skjærstrømning er avviket mellom C_M fra simuleringene og i Stokes-strømningen lite for alle Re_γ ̇ det er sett på i denne studien, Re_γ ̇ ≤ 5. Ved å studere hastighetsfeltet rundt partikkelen kommer det derimot fram at strømningen begynner å bryte med Stokes-strømningen sin form ved økende Reγ ̇. Det ser likevel ut til at for Re_D og Re_γ ̇ i samme størrelsesorden er det et Re_D ulik null som vil forårsake det største avviket fra Stokes-strømningen.Siden størrelsen på partiklene i en rekke typer reelle partikkelstrømninger er svært små kan Reynoldstallet til strømningene være i samme størrelsesorden som de som det er sett på i denne studien, selv når strømningene er turbulente og hastigheten er høy. Funnene i denne studien antyder derfor at Stokes-strømningen kan være en god tilnærming ved flere reelle strømninger.