بررسی تأثیر عدد رینلدز بر ضربه قوچ سیالات غیرنیوتنی در جریان آرام

نوع مقاله: مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 عمران، موسسه آموزش عالی لامعی گرگانی، گرگان، گلستان، ایران

2 عمران، شاهرود، دانشگاه صنعتی شاهرود، ایران

3 دانشکده مهندسی عمران، دانشگاه صنعتی شاهرود، شاهرود، ایران

4 مهندسی عمران دانشگاه گلستان گرگان، ایران

چکیده

در پژوهش حاضر، حساسیت رفتار دو گروه از سیالات ویسکوالاستیک غیر نیوتنی نسبت به تغییرات عدد رینولدز، با یک سیال نیوتنی مورد مقایسه قرار گرفته است. سیالات غیر نیوتنی مورد نظر، یک پلیمر فوق همرفتی ماکسول و یک محلول اولدروید-بی را شامل می­شود که در شرایط رخداد پدیده ضربه قوچ، در لوله در جریان هستند. این مقایسه در شرایط رخداد پدیده ضربه قوچ، در لوله در محدوده جریان آرام صورت می­گیرد. معادلات حاکم بر مساله را معادلات ناویر-استوکس و معادلات رئولوژی سیالات ویسکوالاستیک تشکیل می­دهد. بی­بعد سازی معادلات، نشان می­دهد که عددهای رینلدز و ماخ، پارامترهای بی­بعد مشترک در معادلات سه نوع سیال ذکر شده هستند. ویسکوزیته سیالات به‌عنوان یک عامل اصطکاکی، سبب می­شود که عدد رینلدز و تغییرات آن، نقش مهمی در نوسانات و زمان میرایی موج حاصل از جریان گذرای ضربه قوچ داشته باشد. در مدل‌سازی معادلات، از روش عددی دو گام زمانی لاکس- فردریشک (lxF) استفاده می­شود. جهت اعتبار سنجی مدل، از نتایج آزمایش صورت گرفته توسط هولمبو و رولئو برای یک سیال نیوتنی استفاده و مشخص گردید که جواب‌های مدل پیشنهادی با دقت بالای99 درصد بر نتایج مدل عددی زیلک و وهبا منطبق است. نتایج مدل‌سازی نشان می­دهد که ویژگی‌های ویسکوالاستیک سیالات، نظیر رابطه غیرخطی تنش و کرنش، دارا بودن ثابت زمانی رهایی از تنش و ...، باعث کاهش تأثیرپذیری آنها در مقایسه با سیالات نیوتنی می­شود، به نحوی که بیشترین میزان حساسیت در برابر تغییرات رینلدز در سیال نیوتنی و کمترین میزان، در سیال فوق همرفتی ماکسول که ویژگی‌های ویسکوالاستیک قوی­تری در معادلات آن، دخالت دارد، مشاهده می­شود.

کلیدواژه‌ها


  1. Mora, S., Manna, M. “From viscous fingering to elastic instabilities”, Non-Newtonian Fluid Mechanics, Vol. 173, pp. 30-39, 2012.##
  2. Poole, R. J., Alves, M. A., Oliveira, P. J., and Pinho, F. T. “Plane sudden expansion flows of viscoelastic liquids”, Non-Newtonian Fluid Mechanics, Vol. 146, pp. 79–91, 2007.##
  3. Abbas Nejad, A., Norouzi, M., and Talebi, Z. “Investigation of Pulsatile Blood Flow Interaction with a Viscoelastic Artery and Its Effect on Atherosclerosis”, Fluid Mechanics and Aerodynamics  Journal, Imam Hossein University,  Vol. 3, No. 4, pp. 1-16, 2015.##
  4. Jalali, A. and Kayhani, M.H. “Numerical Simulation of Viscoelastic Developing Flow and Heat Transfer in a Rectangular Duct”, Fluid Mechanics and Aerodynamics  Journal, Imam Hossein University,  Vol. 1, No. 2, pp. 41-54, 2012.##
  5. Keyhanpour, M. and Ghasemi, M. “Numerical Analysis of Heat and Mass Transfer of Magnetic Nanoparticles in a Non-Newtonian Blood Flow under Influence of Magnetic Field”, Fluid Mechanics and Aerodynamics  Journal, Imam Hossein University,  Vol. 7, No. 1, pp. 19-31, 2017.##
  6. Keramat, A., Tijsseling, A. S. “Waterhammer with column separation, fluid-structure interaction and unsteady friction in a viscoelastic pipe”. In: International Conference on Pressure Surges, Lisbon, Portugal, (2012).##
  7. Hadj-Taïeb, L., Hadj-Taïeb, E. “Numerical simulation of transient flows in viscoelastic pipes with vapor cavitation”, International Journal of Modelling and Simulation, Vol. 29, No. 2, pp. 206–213, 2009.##
  8. Keramat, A., Tijsseling, A.S., Hou, Q. and Ahmadi, A. “Fluid-structure interaction with pipe-wall viscoelasticity during water hammer”, Journal of Fluids and Structures, Vol. 28, No. 5, pp. 434–455, 2012.##
  9. Wiggert, D. and Tijsseling, A. S. “Fluid transients and fluid-structure interaction in flexible liquid-filled piping”, Applied Mechanics Reviews, Vol. 54, No. 5, pp. 455–481, 2001.##
  10. Tijsseling, A.S. and Vardy, A.E. “Time scales and FSI in oscillatory liquid-filled pipe flow”. BHR Group, Proc. of the 10th Int. Conf. on Pressure Surges (Editor S Hunt), P553, Edinburgh, United Kingdom, (2008).##
  11. Ahmadi, A., and Keramat, A. “Investigation of fluid-structure interaction with various types of Junction coupling”, Journal of Fluid and Structures, Vol. 26, No. 7-8, pp. 1123-1141, 2010.##
  12. Korbar; R., Virag, Z., and Šavar,  M. “Truncated Method of Characteristics for Quasi-Two- Dimensional Water Hammer Model”, J. Hydraul. Eng., Vol. 140, No. 6, pp. 04014013-1: 04014013-7, 2015.##
  13. Tijsseling, S. and Bergant, A. “Meshless computation of water hammer”, Proc. 2nd IAHR International meeting of the workgroup on cavitation and dynamic problems in hydraulic machinery and systems, Timisoara, Romania, 2007.##
  14. Shamloo, H., Norooz, R. and Mousavifard, M. “A review of one-dimensional unsteady friction models for transient pipe flow”, Proc. The Second National Conference on Applied Research in Science and Technology, Faculty of Science, Cumhuriyet University, 2015.##
  15. Zielke, W. “Frequency- Dependent Friction in Transient Pipe flow”, Basic Engineering, Vol. 90, No. 1, pp. 109-1338, 1968.##
  16. Vardy, A. and Brown, J. “Efficient approximation of unsteady friction weighting functions”, Hydraulic Engineering, Vol. 130, No. 11, pp. 1097-1107, 2004.##
  17. Wahba, E.M. “Non-Newtonian fluid hammer in elastic circular pipes: Shear-thinning and shear-thickening effects”, Non-Newtonian Fluid Mechanics, Vol. 198, No. 10, pp. 24-30, 2013.##
  18. Majd, A., and Ahmadi, A. “Investigation of non-Newtonian fluid effects during transient flows in a pipeline”, Journal of Mechanical Engineering, Vol. 62, No. 2, pp. 105-115, 2016.##
  19. Bird, R. B., Armstrong, R. and Hassager, O. “Dynamics of Polymeric Liquids”. Vol. 1: Fluid Mechanics, Wiley, 1987.##
  20. Wahba, E.M. “Runge–Kutta time-stepping schemes with TVD central differencing for the water hammer equations”, Numerical Methods in Fluids, Vol. 52, No. 5, pp.571-590, 2006.##
  21. Ghidaoui, M.S., Zhao, M., McInnis, D.A. and Axworthy, D.H. “A review of water hammer theory and practice”, Applied Mechanics, Vol. 58, No. 49, pp. 49-76, 2005.#
  22. Streeter, V.L., and Lai, C. “Waterhammer Analysis Including Fluid Friction”, Second Edition, American Society of Civil Engineers, 1993.##
  23. Shampine, L.F. “Two-step Lax-Friedrichs method”, Applied Mathematics Letters, Vol. 18, No. 10, pp. 1134-1136.##
  24. Khalighi, F., Ahmadi, A. and Keramat, A. “Investigation of Fluid-Structure Interaction by Explicit Central Finite Difference Methods”, International Journal of Engineering journal, Vol. 29, No. 5, pp. 590-598, 2016.##
  25. Holmboe, E.L., Rouleau, W.T. “The effect of viscous shear on transients in liquid lines”, Basic Engineering, Vol. 89, No. 1, pp. 174–180, 1967.##
  26. Mandani, S., Norouzi, M. and Shahmardan, M.M. “An experimental investigation on impact process of Boger drops onto solid surfaces”, Korea-Australia Rheology J., Vol. 30, No. 2, pp. 99–108, 2018.##