Nikesh

Hydrodynamic instability and mixing enhancement in grooved channels

Abstract:

Działanie urządzeń przepływowych takich jak oksygenatory krwi, kompaktowe wymienniki ciepła lub dializatory, można znacząco udoskonalić  zmniejszając straty hydrauliczne i zwiększając wydajność procesów mieszania. Stosunkowo mało zbadanym podejściem do tego zagadnienia, pozwalającym zarówno na intensyfikacje procesów transportu jak i zmniejszenie strat hydraulicznych w takich urządzeniach jest wykorzystanie wielkoskalowej chropowatości ścian
w celu wywołania niestabilności hydrodynamicznych. W ostatnich latach pokazano, ze rowkowanie ułożone wzdłuż przepływu może prowadzić do silnej destabilizacji już przy niewielkich prędkościach ruchu płynu, a jednocześnie zapewnia zmniejszenie oporu hydraulicznego. Tematem rozprawy jest badanie możliwości wykorzystania takich modyfikacji geometrycznych powierzchni jako metody intensyfikacji mieszania i redukcji oporu. Praca opisuje dynamikę przepływu wewnętrznego cieczy lepkiej w obecności poprzecznego pofalowania ścian (podłużne rowki). Analiza koncentruje się  na niskich liczbach Reynoldsa, gdzie przepływy są z zasady laminarne. Głównym celem jest ustalenie takich geometrii kanału, które pozwalają na poprawę charakterystyk mieszania przy możliwie niskim oporze przepływu. Obliczenia przepływowe zawarte w pracy wykonywano z wykorzystaniem bezpośredniej symulacji numerycznej (Direct Numerical Simulation - DNS) przy użyciu metody elementów spektralnych dostępnej w ramach biblioteki Nektar ++.
W pierwszej  części rozprawy zbadano przepływ w kanale z sinusoidalnymi ścianami i periodyczny w dwóch kierunkach. Następnie, zbadano przepływ w poprzecznie pofalowanym kanale
o skończonej szerokości. W dalszej części pracy porównano dynamikę przepływu w obecności różnych wariantów geometrii pofalowania, takich jak  rowki trójkątne,  kwadratowe i trapezoidalne. Przeanalizowano wpływ wiodącego modu Fouriera pofalowania ścian na efekty redukcji oporu
i destabilizacji. Rozprawę kończy analiza jakościowa i ilościowa charakterystyk intensyfikacji mieszania wynikającego z chaotycznej adwekcji powstałej na skutek nieliniowej saturacji zidentyfikowanych niestabilności.