Study of the motion of a thixotropic elastovisco-plastic fluid through a cylindrical pipe
In the present thesis, we examine the pressure-driven flow of a thixotropic elastoviscoplastic fluid (TEVP) through a cylindrical pipe. Although this flow has been studied extensively in fluid mechanics with yield stress materials and Newtonian fluids, recent studies have stressed the importance of...
Κύριος συγγραφέας: | |
---|---|
Άλλοι συγγραφείς: | |
Γλώσσα: | English |
Έκδοση: |
2021
|
Θέματα: | |
Διαθέσιμο Online: | http://hdl.handle.net/10889/15351 |
id |
nemertes-10889-15351 |
---|---|
record_format |
dspace |
institution |
UPatras |
collection |
Nemertes |
language |
English |
topic |
Thixotropy Rheology Computational fluid dynamics (CFD) Fluid mechanics Elastoviscoplastic fluids Θιξοτροπικό ελαστοϊξωδοπλαστικό ρευστό Ρεολογία Ρευστοδυναμική |
spellingShingle |
Thixotropy Rheology Computational fluid dynamics (CFD) Fluid mechanics Elastoviscoplastic fluids Θιξοτροπικό ελαστοϊξωδοπλαστικό ρευστό Ρεολογία Ρευστοδυναμική Γάλλιος, Αριστοτέλης Study of the motion of a thixotropic elastovisco-plastic fluid through a cylindrical pipe |
description |
In the present thesis, we examine the pressure-driven flow of a thixotropic elastoviscoplastic fluid (TEVP) through a cylindrical pipe. Although this flow has been studied extensively in fluid mechanics with yield stress materials and Newtonian fluids, recent studies have stressed the importance of thixotropy and elasticity to accurately describe it. The objective of this work is to examine the behavior of a TEVP fluid through a pipe, by solving the transient problem, until steady state is reached. This is quintessential, as it will give us an insight into how the flow evolves over time to appreciate the thixotropic, viscoelastic and viscoplastic effects that take place.
In the first and introductory chapter, emphasis is given on the omnipresence of yield stress materials in everyday life and nature and applications ranging from industrial processes to biological tissues and cosmetic products. What distinguishes these materials is their characteristic transition from a solid to a liquid state, when subjected to stress, once they surpass a critical threshold, the so-called yield stress.
Furthermore, in Chapter 2 a wide class of yield stress materials is presented and the debate of the existence of “real” yield stress is discussed. Recent studies though have underlined the importance of including elastic and thixotropic effects when modeling them. This necessity led to more research regarding the flow of EVP materials, materials that exhibit characteristics of viscoelastic solids before yielding, and viscoplastic liquids upon yielding. Moreover, the concept of thixotropy, regarding the time-dependent evolution of the fluid’s viscosity is introduced and briefly discussed. In the last sections of this chapter, we define the constitutive models that will be used extensively throughout this work. In particular, we present a recently proposed thixotropic elastoviscoplastic model (TEVP), that combines the Saramito with the linear Phan-Thien-Tanner model (LPTT) while introducing thixotropy via a structure parameter. We use this model to derive simpler models, that describe the behavior of EVP, elastoviscoplastic, viscoelastic and Newtonian fluids. Specifically, the derived models are the modified Saramito (SRM-LPTT), the linear Phan-Thien-Tanner (LPTT), the Oldroyd-B, the Bingham, and the Newtonian.
In Chapter 3 the Poiseuille flow of a TEVP fluid through a cylindrical pipe is considered. The governing equations and the boundary conditions are stated and the necessity of the transient approach to the problem is stressed. In Chapter 4 the Galerkin Finite Element Method is employed to discretize the velocity and the stress fields into a nodal grid. It is asserted that the computed solution converges for different numbers of finite elements. Moreover, for the time integration, the Newton-Raphson method was used and it is deduced that there is time convergence of the solution for various timesteps.
An extensive parametric analysis is performed in Chapter 5. Each constitutive model was used to examine the parameters that affect the flow behavior. In particular, for the Newtonian model the impact of Reynolds on the flow profile was examined. For the Oldroyd-B model the effect of the Weissenberg number on the flow characteristics was assessed. Subsequently, for the LPTT model we analyzed the effect of the LPTT parameter on the flow development, and we also examined the role of yield stress, via the Bingham number, in the time evolution of the flow considering the Bingham and the SRM-LPTT model. Another case involved the effect of thixotropic parameters on the flow, using the TEVP model to study a fumed silica suspension using material data from a recent study [1].
This work is concluded with useful remarks regarding the results of the parametric analysis and suggestions for future investigations. |
author2 |
Gallios, Aristotelis |
author_facet |
Gallios, Aristotelis Γάλλιος, Αριστοτέλης |
author |
Γάλλιος, Αριστοτέλης |
author_sort |
Γάλλιος, Αριστοτέλης |
title |
Study of the motion of a thixotropic elastovisco-plastic fluid through a cylindrical pipe |
title_short |
Study of the motion of a thixotropic elastovisco-plastic fluid through a cylindrical pipe |
title_full |
Study of the motion of a thixotropic elastovisco-plastic fluid through a cylindrical pipe |
title_fullStr |
Study of the motion of a thixotropic elastovisco-plastic fluid through a cylindrical pipe |
title_full_unstemmed |
Study of the motion of a thixotropic elastovisco-plastic fluid through a cylindrical pipe |
title_sort |
study of the motion of a thixotropic elastovisco-plastic fluid through a cylindrical pipe |
publishDate |
2021 |
url |
http://hdl.handle.net/10889/15351 |
work_keys_str_mv |
AT galliosaristotelēs studyofthemotionofathixotropicelastoviscoplasticfluidthroughacylindricalpipe AT galliosaristotelēs meletētēskinēsēsenosthixotropikouelastoïxōdoplastikoureustoumesōkylindrikousōlēna |
_version_ |
1799945007577169920 |
spelling |
nemertes-10889-153512022-09-06T05:13:49Z Study of the motion of a thixotropic elastovisco-plastic fluid through a cylindrical pipe Μελέτη της κίνησης ενός θιξοτροπικού ελαστοϊξωδο-πλαστικού ρευστού μέσω κυλινδρικού σωλήνα Γάλλιος, Αριστοτέλης Gallios, Aristotelis Thixotropy Rheology Computational fluid dynamics (CFD) Fluid mechanics Elastoviscoplastic fluids Θιξοτροπικό ελαστοϊξωδοπλαστικό ρευστό Ρεολογία Ρευστοδυναμική In the present thesis, we examine the pressure-driven flow of a thixotropic elastoviscoplastic fluid (TEVP) through a cylindrical pipe. Although this flow has been studied extensively in fluid mechanics with yield stress materials and Newtonian fluids, recent studies have stressed the importance of thixotropy and elasticity to accurately describe it. The objective of this work is to examine the behavior of a TEVP fluid through a pipe, by solving the transient problem, until steady state is reached. This is quintessential, as it will give us an insight into how the flow evolves over time to appreciate the thixotropic, viscoelastic and viscoplastic effects that take place. In the first and introductory chapter, emphasis is given on the omnipresence of yield stress materials in everyday life and nature and applications ranging from industrial processes to biological tissues and cosmetic products. What distinguishes these materials is their characteristic transition from a solid to a liquid state, when subjected to stress, once they surpass a critical threshold, the so-called yield stress. Furthermore, in Chapter 2 a wide class of yield stress materials is presented and the debate of the existence of “real” yield stress is discussed. Recent studies though have underlined the importance of including elastic and thixotropic effects when modeling them. This necessity led to more research regarding the flow of EVP materials, materials that exhibit characteristics of viscoelastic solids before yielding, and viscoplastic liquids upon yielding. Moreover, the concept of thixotropy, regarding the time-dependent evolution of the fluid’s viscosity is introduced and briefly discussed. In the last sections of this chapter, we define the constitutive models that will be used extensively throughout this work. In particular, we present a recently proposed thixotropic elastoviscoplastic model (TEVP), that combines the Saramito with the linear Phan-Thien-Tanner model (LPTT) while introducing thixotropy via a structure parameter. We use this model to derive simpler models, that describe the behavior of EVP, elastoviscoplastic, viscoelastic and Newtonian fluids. Specifically, the derived models are the modified Saramito (SRM-LPTT), the linear Phan-Thien-Tanner (LPTT), the Oldroyd-B, the Bingham, and the Newtonian. In Chapter 3 the Poiseuille flow of a TEVP fluid through a cylindrical pipe is considered. The governing equations and the boundary conditions are stated and the necessity of the transient approach to the problem is stressed. In Chapter 4 the Galerkin Finite Element Method is employed to discretize the velocity and the stress fields into a nodal grid. It is asserted that the computed solution converges for different numbers of finite elements. Moreover, for the time integration, the Newton-Raphson method was used and it is deduced that there is time convergence of the solution for various timesteps. An extensive parametric analysis is performed in Chapter 5. Each constitutive model was used to examine the parameters that affect the flow behavior. In particular, for the Newtonian model the impact of Reynolds on the flow profile was examined. For the Oldroyd-B model the effect of the Weissenberg number on the flow characteristics was assessed. Subsequently, for the LPTT model we analyzed the effect of the LPTT parameter on the flow development, and we also examined the role of yield stress, via the Bingham number, in the time evolution of the flow considering the Bingham and the SRM-LPTT model. Another case involved the effect of thixotropic parameters on the flow, using the TEVP model to study a fumed silica suspension using material data from a recent study [1]. This work is concluded with useful remarks regarding the results of the parametric analysis and suggestions for future investigations. Στην παρούσα εργασία εξετάζουμε την ροή λόγω διαφοράς πίεσης ενός θιξοτροπικού ελαστοϊξωδοπλαστικού ρευστού (TEVP), σε κυλινδρικό αγωγό. Παρόλο που η εφαρμογή αυτή έχει μελετηθεί εκτενώς στη ρευστομηχανική με Νευτώνεια ρευστά και ρευστά που εμφανίζουν τάση διαρροής, πρόσφατες μελέτες ανέδειξαν την σημασία της θιξοτροπίας και της ελαστικότητας για την ακριβή περιγραφή της ροής. Ο στόχος της συγκεκριμένης εργασίας είναι να εξετάσει τη συμπεριφορά ενός θιξοτροπικού ρευστού, λύνοντας το μεταβατικό πρόβλημα, έως την επίτευξη μόνιμης κατάστασης. Αυτό είναι απαραίτητο προκειμένου να μελετήσουμε την εξέλιξη της ροής στο χρόνο και να κατανοήσουμε τα θιξοτροπικά, ιξωδοελαστικά και ιξωδοπλαστικά φαινόμενα που λαμβάνουν χώρα. Στο εισαγωγικό κεφάλαιο δίνεται έμφαση στην εκτενή παρουσία των υλικών που εμφανίζουν τάση διαρροής στην καθημερινή ζωή και στη φύση, με εφαρμογές που ποικίλουν από βιομηχανικές διεργασίες μέχρι δημιουργία βιολογικών ιστών και καλλυντικά προϊόντα. Αυτό που ξεχωρίζει τα υλικά αυτά είναι η χαρακτηριστική μετάβαση από την στερεή στην υγρή κατάσταση, όταν υπόκεινται σε τάση, μόλις ξεπεράσουν ένα κατώφλι γνωστό ως τάση διαρροής. Επιπλέον, στο Κεφάλαιο 2 παρουσιάζεται μια μεγάλη τάξη υλικών που επιδεικνύουν τάση διαρροής καθώς και η διαφωνία που υπάρχει στην επιστημονική κοινότητα της ρεολογίας ως προς την ύπαρξη «αληθινής» τάσης διαρροής. Πρόσφατες μελέτες, ωστόσο, τονίζουν την σημασία της ύπαρξης των ελαστικών και των θιξοτροπικών φαινομένων, κατά τη μοντελοποίηση. Αυτή η αναγκαιότητα οδήγησε σε εκτενέστερη έρευνα σχετικά με τη ροή των EVP ρευστών, ρευστών που επιδεικνύουν χαρακτηριστικά ιξωδοελαστικού στερεού πριν τη διαρροή και ιξωδοπλαστικού ρευστού μετά τη διαρροή. Επιπλέον παρουσιάζεται και αναφέρεται εν συντομία η θιξοτροπία σαν έννοια, που αφορά την χρονοεξαρτώμενη εξέλιξη του ιξώδους της ροής. Στα τελευταία κεφάλαια αυτής της ενότητας ορίζονται τα καταστατικά μοντέλα που θα χρησιμοποιηθούν. Συγκεκριμένα παρουσιάζεται ένα προτεινόμενο θιξοτροπικό ελαστιξωδοπλαστικό μοντέλο (TEVP), το οποίο συνδυάζει το μοντέλο του Saramito με το γραμμικό Phan-Thien-Tanner (LPTT) και εισαγωγή της θιξοτροπίας. Βάσει αυτού παράγονται απλούστερα μοντέλα που περιγράφουν τη ροή των EVP, των ιξωδοελαστικών, των ιξωδοπλαστικών και των Νευτώνειων ρευστών. Συγκεκριμένα παράγονται το τροποποιημένο Saramito (SRM-LPTT), το γραμμικό Phan-Thien-Tanner (LPTT), το Oldroyd-B, το Bingham και το Νευτωνικό μοντέλο. Στο Κεφάλαιο 3 θεωρούμε τη ροή ΤΕVP ρευστού μέσω κυλινδρικού αγωγού. Εισάγονται οι εξισώσεις της ροής, οι συνοριακές συνθήκες και τονίζεται η αναγκαιότητα επίλυσης του μεταβατικού προβλήματος. Στο Κεφάλαιο 4 γίνεται χρήση της Μεθόδου Galerkin των Πεπερασμένων Στοιχείων για τη διακριτοποίηση των πεδίων ταχύτητας και τάσεων σε ένα πλέγμα κόμβων. Επιβεβαιώνεται η σύγκλιση της λύσης για διαφορετικούς αριθμούς πεπερασμένων στοιχείων καθώς και η χρονική σύγκλιση της λύσης για διαφορετικά χρονικά βήματα. Για τη χρονική ολοκλήρωση έχει χρησιμοποιηθεί η μέθοδος Newton-Raphson. Στο Κεφάλαιο 5 πραγματοποιείται εκτενής παραμετρική ανάλυση και κάθε μοντέλο αντιμετωπίζεται ξεχωριστά, εξετάζοντας τις παραμέτρους που επηρεάζουν τη ροή. Για το Νευτωνικό μοντέλο εξετάζεται η επίδραση του αριθμού Reynolds και για το Oldroyd-B η επίδραση του αριθμού Weissenberg στη ροή. Ακολούθως για το LPTT μοντέλο αναλύεται η επίδραση της παραμέτρου LPTT και για τα μοντέλα SRM-LPTT και Bingham εξετάζεται ο ρόλος της τάσης διαρροής, μέσω του αριθμού Bingham. Επίσης για το TEVP μοντέλο μελετώνται θιξοτροπικές παράμετροι που επηρεάζουν τη ροή και μελετάται ένα αιώρημα διοξειδίου του πυριτίου (fumed silica suspension), με ρεολογικά δεδομένα πρόσφατης μελέτης [1]. Η διπλωματική εργασία ολοκληρώνεται με χρήσιμα σχόλια αναφορικά με τα αποτελέσματα και προτάσεις για μελλοντικές μελέτες. 2021-10-18T06:04:54Z 2021-10-18T06:04:54Z 2021-10-04 http://hdl.handle.net/10889/15351 en_US application/pdf |