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http://repositorio.utfpr.edu.br/jspui/handle/1/27973| Título: | The dynamics of compound drops rising in a quiescent viscous fluid |
| Título(s) alternativo(s): | Dinâmica de gotas compostas escoando em um fluido viscoso estagnado |
| Autor(es): | Karp, Joel Robert |
| Orientador(es): | Morales, Rigoberto Eleazar Melgarejo |
| Palavras-chave: | Soluções de viscosidade Dinâmica dos fluidos Fluxo viscoso Escoamento multifásico Hidrodinâmica Viscosity solutions Fluid dynamics Viscous flow Multiphase flow Hydrodynamics |
| Data do documento: | 15-Dez-2021 |
| Editor: | Universidade Tecnológica Federal do Paraná |
| Câmpus: | Curitiba |
| Citação: | KARP, Joel Robert. The dynamics of compound drops rising in a quiescent viscous fluid. 2021. Tese (Doutorado em Engenharia Mecânica e de Materiais) - Universidade Tecnológica Federal do Paraná, Curitiba, 2021. |
| Resumo: | Gotas compostas são partículas fluidas compostas por mais de um fluido. Sua estrutura complexa rege seu comportamento, cujo conhecimento é de importância em vários cenários envolvendo escoamento multifásico. O presente trabalho é dedicado à análise do movimento gravitacional de gotas compostas gás-líquido de tamanho na ordem de milímetros com alto número de Reynolds, aproximadamente de 70 a 700, em um fluido viscoso quiescente por meio de técnicas de visualização de escoamento. Para tanto, experimentos em ambiente isotérmico utilizando as técnicas de aquisição de imagens em alta velocidade e velocimetria de imagem de partículas (PIV) foram conduzidos no Laboratório de Visualização de Escoamentos nas dependências do Núcleo de Escoamento Multifásico (NUEM – UTFPR). A influência das propriedades dos fluidos e da geometria da gota composta foi investigada empregando diferentes fluidos (óleos de silicone, milho, e mineral) e alterando o tamanho da bolha interna.Dois regimes ascendentes foram identificados com base em uma faixa crítica de razão de diâmetro, a saber, os regimes retilíneo e oscilatório. Os efeitos governantes em cada regime de movimento foram discutidos. As gotas compostas preservaram sua forma esférica em todas as medições, sugerindo que o escoamento interno pode desempenhar um papel essencial na transição do movimento. O comportamento oscilatório é descrito pelos ângulos de orientação das fases da gota composta que seguem um movimento pendular. A bolha interna reduz a dissipação viscosa e o coeficiente de arrasto apresentou valores intermediários em relação às gotas e bolhas monofluido. A instabilidade da esteira é sugerida como a origem física das instabilidades na trajetória. Quando o tamanho da bolha excede um valor crítico, a simetria da esteira é perdida devido ao aumento da vorticidade. O número de Strouhal apresentou uma evolução diferente em comparação com bolhas, gotas e esferas, revelando diferentes mecanismos de oscilação. Essas observações são corroboradas por modelagem mecanicista e suportadas por dados experimentais. |
| Abstract: | Compound drops are fluid particles composed by more than one fluid phase. Their complex structure governs their dynamic behavior, whose knowledge is of the utmost importance in several multiphase flow applications. The present work is devoted to the analysis of the gravitational motion of millimeter-sized gas-liquid compound drops in a quiescent viscous fluid at high Reynolds numbers, from 70 to 700 roughly, by means of flow visualization techniques. With this aim, experiments in an isothermal environment employing the high-speed shadowgraph and particle image velocimetry (PIV) techniques were conducted in the Flow Visualization Laboratory within the premises of the Multiphase Flow Research Center (NUEM – UTFPR). The influence of the properties of the fluids and the geometry of the compound drop was investigated by employing different fluids (silicone, corn, and mineral oils) and altering the size of the internal bubble. Two rising regimes were identified based on a critical range of diameter ratios, namely the rectilinear and the oscillatory motions. The governing effects of each motion regime were discussed. The compound drops preserved their spherical shape through all the measurements, suggesting that the internal fluid movement might play an essential role in the motion transition. The oscillatory behavior is described by the orientation angles of the phases of the compound drop that follow a pendular-like motion. The internal bubble reduces the viscous dissipation and the drag coefficient presented intermediate values compared to single-fluid drops and bubbles. The unsteadiness of the wake is at the onset of path instabilities. When the size of the bubble exceeds a critical value, the symmetry of the wake is lost due to the increased vorticity. The Strouhal number showed a different evolution compared to bubbles, drops, and spheres, revealing different mechanisms of oscillations. These observations are corroborated by mechanistic modeling and supported by the experimental data. |
| URI: | http://repositorio.utfpr.edu.br/jspui/handle/1/27973 |
| Aparece nas coleções: | CT - Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica e de Materiais |
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