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相场法测定表面发光液滴的聚合。 (英语) Zbl 1416.76321号

摘要:在这项工作中,我们提出并测试了一种改进的相场方法(PFM)的有效性,该方法专门用于大规模模拟含有大量可变形表面活性剂的液滴的湍流。相场(φ)和表面活性剂浓度场(psi)的时间演化由两个Cahn-Hilliard-like方程和一个二阶参数时变Ginzburg-Landau(TDGL)自由能泛函获得。引入的修改绕过了基于PFM的当前方法的现有限制,并改进了模型的完善性。表面活性剂对表面张力的影响通过状态方程(EOS)进行建模,进一步提高了方法的灵活性。该方法可以有效地处理拓扑变化,即断裂和聚结,并描述表面活性剂的吸附/解吸。本文针对表面活性剂对单个液滴变形和两个液滴之间相互作用的影响的先前实验结果,测试了所提出方法的能力。最后,为了评价模型在大规模复杂模拟中的性能,对湍流通道中表面发光液滴的行为进行了定性分析并进行了讨论。

MSC公司:

76T10型 液气两相流,气泡流
76D45型 不可压缩粘性流体的毛细现象(表面张力)
76平方米25 其他数值方法(流体力学)(MSC2010)
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参考文献:

[1] 阿达米,S。;胡晓云。;Adams,N.A.,《表面活性剂动力学的保守SPH方法》,J.Compute。物理。,229, 5, 1909-1926 (2010) ·Zbl 1329.76281号
[2] 阿夫哈米,S。;岳,P。;Renardy,Y.,剪切下粘弹性矩阵中二维和三维牛顿滴变形的粘弹性应力尾迹比较,Phys。流体,21,7,第072106条pp.(2009)·Zbl 1183.76065号
[3] 阿尔克,A。;Bothe,D.,基于流体体积法的流体界面可溶性表面活性剂三维数值模拟,fluid Dyn。马特。程序。,5, 4, 345-372 (2009)
[4] 安德森,D.M。;麦克法登,G.B。;Wheeler,A.A.,《流体力学中的扩散界面方法》,年。流体力学版次。,30, 1, 139-165 (1998) ·Zbl 1398.76051号
[5] 巴达拉西,V.E。;Ceniceros,H.D。;Banerjee,S.,用相场模型计算多相系统,J.Compute。物理。,190, 2, 371-397 (2003) ·Zbl 1076.76517号
[6] 巴亚雷,M。;Mortazavi,S.,《有限雷诺数下简单剪切流中液滴的二元碰撞:几何和粘度比效应》,高级工程师软件。,42,604-611(2011年)·Zbl 1356.76375号
[7] 巴兹列科夫,I.B。;Anderson,医学博士。;Meijer,H.E.,不溶性表面活性剂对简单剪切流中液滴变形和破碎影响的数值研究,胶体界面科学杂志。,298,1369-394(2006年)
[8] 布蒂,M.R。;Siegel,M.,《含可溶性表面活性剂界面流体流动的混合数值方法》,J.Compute。物理。,229, 10, 3864-3883 (2010) ·Zbl 1423.76331号
[9] 卡努托,C。;侯赛尼,M.Y。;Quarteroni,A.M。;Zang,T.A.,《流体动力学中的光谱方法》(1988),Springer-Verlag·Zbl 0658.76001号
[10] Ceniceros,H.D.,《表面活性剂对毛细波形成和演化的影响》,《物理学》。流体,15,1,245-256(2003)·Zbl 1185.76078号
[11] Chang,C。;Franses,E.,《表面活性剂在空气/水界面上的吸附动力学:数学模型、数据和机理的评论》,《胶体表面》a,100,1-45(1995)
[12] 陈,D。;卡迪内尔斯,R。;Moldenaers,P.,《限制对剪切流中液滴聚并的影响》,Langmuir,22,25,12885-12893(2009)
[13] 戴,B。;Leal,L.G.,《表面活性剂对液滴聚并的作用机制》,《物理学》。流体,20,4,1-13(2008)·Zbl 1182.76174号
[14] De Bruyn,P。;卡迪内尔斯,R。;Moldenaers,P.,《几何约束对剪切流中液滴对聚并效率的影响》,《胶体界面科学杂志》。,409, 183-192 (2013)
[15] 德耶稣,W.C。;罗马,A.M。;Pivello,M.R。;维拉尔,M.M。;da Silveira-Neto,A.,《模拟含有不溶性表面活性剂的两相流体的三维前向跟踪方法》,J.Compute。物理。,281, 403-420 (2015) ·Zbl 1351.76134号
[16] 丁·H。;斯佩尔特,P.D.M。;Shu,C.,具有大密度比的不可压缩两相流的扩散界面模型,J.Comput。物理。,226, 2, 2078-2095 (2007) ·Zbl 1388.76403号
[17] 多布斯,L.G.,肺表面活性物质,美国国立大学。《医学评论》,第40、1、431-446页(1989年)
[18] Drumright-Clare,硕士。;Renardy,Y.,《稀浓度下不溶性表面活性剂对惯性剪切下液滴破碎的影响》,Phys。流体,16,1,14-21(2004)·Zbl 1186.76152号
[19] Elghobashi,S.,《满载液滴或气泡的湍流直接数值模拟》,年。流体力学版次。,51, 1 (2019) ·Zbl 1412.76046号
[20] Engblom,S。;Do-Quang,M。;Amberg,G。;Tornberg,A.K.,《关于两相流体中表面活性剂的扩散界面建模和模拟》,Commun。计算。物理。,14, 4, 879-915 (2013) ·Zbl 1373.76334号
[21] Farhat,H。;Celiker,F。;辛格,T。;Lee,J.S.,表面活性剂覆盖液滴的混合晶格Boltzmann模型,软物质,7,5,1968-1985(2011)
[22] 弗里杰特斯,S。;Günther,F。;Harting,J.,纳米颗粒和表面活性剂对剪切流中液滴的影响,软物质,8,24,6542-6556(2012)
[23] 顾S。;张,H。;Zhang,Z.,二元流体-表面活性剂体系的能量稳定有限差分格式,J.Compute。物理。,270, 416-431 (2014) ·Zbl 1349.76469号
[24] Guido,S。;Simeone,M.,用计算机辅助视频光学显微镜研究简单剪切流中液滴的二元碰撞,J.流体力学。,357, 1-20 (1998)
[25] Gunstensen,A.K。;罗斯曼,D.H。;Zaleski,S。;Zanetti,G.,《不混溶流体的格子Boltzmann模型》,Phys。A版,43、8、4320(1991年)
[26] Ha,J.W。;Yoon,Y。;Leal,L.G.,增容剂对流动中两滴聚合的影响,Phys。流体,15,4,849-867(2003)·Zbl 1185.76159号
[27] 希特,C.W。;Nichols,B.D.,自由边界动力学的流体体积(VOF)方法,J.Compute。物理。,2019年1月39日至225日(1981年)·Zbl 0462.76020号
[28] 胡永泰。;Lips,A.,估计表面活性剂表面覆盖率及其对液滴变形的影响,Phys。修订稿。,91,4,第044501条pp.(2003)
[29] 胡永泰。;Pine,D.J。;Leal,L.G.,液滴变形、破碎和与相容剂聚合,Phys。流体,12,3,484-489(2000)·Zbl 1149.76413号
[30] 侯赛尼,M.Y。;Zang,T.A.,《流体动力学中的光谱方法》,年。流体力学版次。,19, 1, 339-367 (1987) ·Zbl 0636.76009号
[31] Jackmin,D.,使用相场建模计算两相Navier-Stokes流,J.Compute。物理。,155, 1, 96-127 (1999) ·Zbl 0966.76060号
[32] 詹姆斯·A·J。;Lowengrub,J.,《不溶性表面活性剂界面流动的表面活性剂-流体体积守恒法》,J.Compute。物理。,201, 2, 685-722 (2004) ·Zbl 1061.76062号
[33] Khatri,S。;Tornberg,A.K.,《含不溶性表面活性剂两相流的数值方法》,计算。流体,49,1,150-165(2011)·Zbl 1271.76209号
[34] Kim,J。;梅因,P。;Moser,R.,低雷诺数下充分发展的通道流中的湍流统计,J.流体力学。,177, 1, 133-166 (1987) ·Zbl 0616.76071号
[35] Komura,S。;Kodama,H.,油水表面活性剂系统的二阶参数模型,Phys。E版,55、2、1722-1727(1997)
[36] Korteweg,D.J.,《水流运动方程》,《毛细力的竞争导致密度变化的标准》,继续,《毛细血管的变化》,Arch。内尔。科学。《精确自然》,6,1-24(1901)
[37] 赖,M.C。;Tseng,Y.H。;Huang,H.,不溶性表面活性剂界面流动的浸入边界法,计算机J。物理。,227, 15, 7279-7293 (2008) ·Zbl 1201.76182号
[38] Lai,M.C。;Tseng,Y.H。;Huang,H.,用浸没边界法对表面活性剂移动接触线的数值模拟,Commun。计算。物理。,8, 4, 735 (2010) ·Zbl 1364.76125号
[39] 拉拉吉,M。;郭,H。;格兰特,M。;Zuckermann,M.J.,《表面活性剂对相分离动力学的影响》,J.Phys。康登斯。Matter,46715-6728(1992)
[40] Leal,L.G.,粘性流体中液滴的流动诱导聚合,Phys。流体,16,6,1833-1851(2004)·Zbl 1186.76314号
[41] Loewenberg,M。;Hinch,E.J.,剪切流中两个可变形液滴的碰撞,J.流体力学。,338, 299-315 (1997) ·Zbl 0914.76080号
[42] 卢,J。;Muradoglu,M。;Tryggvason,G.,《不溶性表面活性剂对垂直通道中湍流泡状流的影响》,《国际期刊》,Multiph。流量,95135-143(2017)
[43] 马加莱蒂,F。;皮卡诺,F。;Chinappi,M。;马里诺,L。;Casciola,C.M.,《二元流体Cahn-Hilliard/Navier-Stokes模型的尖锐界面极限》,《流体力学杂志》。,714, 95-126 (2013) ·Zbl 1284.76116号
[44] Muradoglu,M。;Tryggvason,G.,《用可溶性表面活性剂计算界面流动的前跟踪方法》,J.Compute。物理。,227, 2238-2262 (2008) ·Zbl 1329.76238号
[45] Muradoglu,M。;Tryggvason,G.,《三维多相流中可溶性表面活性剂的模拟》,J.Compute。物理。,274, 737-757 (2014) ·Zbl 1351.76174号
[46] Osher,S。;Sethian,J.,《以曲率相关速度传播的前沿:基于Hamilton-Jacobi公式的算法》,J.Compute。物理。,49,12-49(1988年)·兹伯利0659.65132
[47] 潘,K.L。;Tseng,Y.H。;Chen,J.C。;Huang,K.L。;Wang,C.H。;Lai,M.C.,用表面活性剂控制液滴反弹和聚并,J.流体力学。,799603-636(2016)·Zbl 1460.76797号
[48] Pawar,Y。;Stebe,J.,Marangoni对拉伸流中液滴变形的影响:表面活性剂物理化学的作用。I.不溶性表面活性剂,物理。流体,8,7,1738-1751(1996)·Zbl 1027.76539号
[49] Peyret,R.,《不可压缩粘性流的谱方法》,《应用数学科学》,第148卷(2002年),Springer Science+Business Media·Zbl 1005.76001号
[50] 波皮内特,斯特芬,表面张力的数值模型,年度。流体力学版次。,50, 1-28 (2018) ·Zbl 1384.76016号
[51] 雷纳迪,Y。;Renardy,M。;Cristini,V.,《用于表面活性剂和模拟低粘度比剪切下液滴变形的新流体配方》,《欧洲医学杂志》。B、 流体,21,1,49-59(2002)·Zbl 1063.76077号
[52] Roccon,A。;De Paoli,M。;Zonta,F。;Soldati,A.,有界湍流中大液滴的粘度调制破裂和聚并,Phys。《流体》第2版,第083603条,pp.(2017)
[53] 斯卡博洛,L。;Soldati,A.,大变形液滴界面上的湍流调制,J.Turbul。,14, 11, 27-43 (2013)
[54] 斯卡博洛,L。;莫林,D。;Perlekar,P。;斯布拉加利亚,M。;索尔达蒂,A。;Toschi,F.,《不同多组分算法并行比较的统一框架:晶格玻尔兹曼与相场模型》,J.Compute。物理。,234, 263-279 (2013) ·Zbl 1284.76308号
[55] Scarbolo,L.公司。;Bianco,F。;Soldati,A.,湍流通道中大液滴的聚集和破碎,物理。流体,27,7,文章073302 pp.(2015)
[56] 斯卡博洛,L。;比安科,F。;Soldati,A.,《通过大变形液滴分散进行湍流修正》,《欧洲力学杂志》。B、 流体,55,294-299(2016)·Zbl 1408.76327号
[57] 斯卡多维利,R。;Zaleski,S.,自由表面和界面流动的直接数值模拟,年度。流体力学版次。,31, 1, 567-603 (1999)
[58] 斯克里文,L.E。;斯特林,C.V.,《马兰戈尼效应》,《自然》,187,4733,186(1960)
[59] Sethian,J.A。;Smereka,P.,《流体界面的液位设置方法》,年。流体力学版次。,35, 1, 341-372 (2003) ·Zbl 1041.76057号
[60] 夏皮拉,M。;Haber,S.,《包括壁面效应在内的剪切流中液滴的低雷诺数运动》,国际J.Multiph。流量,16,2,305-321(1990)·Zbl 1134.76668号
[61] 辛格,R.K。;Sarkar,K.,粘性比和三维定位对有限惯性剪切流中两个粘性液滴之间流体动力相互作用的影响,Phys。流体,21,10,第103303条pp.(2009)·Zbl 1183.76487号
[62] Sjoblom,J.,《乳液和乳液稳定性:表面活性剂科学系列/61》,第132卷(2005),CRC出版社
[63] 索利戈,G。;Roccon,A。;Soldati,A.,湍流多相流模拟的质量守恒改进相场方法,机械学报。,230, 1 (2019) ·Zbl 1412.76079号
[64] Stone,H.A.,粘性流体中液滴变形和破碎动力学,年。流体力学版次。,26, 1, 65-102 (1994) ·Zbl 0802.76020号
[65] 斯通,H.A。;Leal,L.G.,表面活性剂对液滴变形和破裂的影响,流体力学杂志。,220, 161-186 (1990) ·Zbl 0706.76124号
[66] 高木,S。;Matsumoto,Y.,《表面活性剂对气泡运动和气泡流动的影响》,年。Rev.流体机械。,43, 615-636 (2011) ·Zbl 1299.76277号
[67] Taylor,G.I.,《可定义流场中乳状液的形成》,Proc。R.Soc.A,146,501-523(1934)
[68] Teigen,K.E。;宋,P。;Lowengrub,J。;Voigt,A.,《含可溶性表面活性剂的两相流扩散界面法》,J.Compute。物理。,230, 2, 375-393 (2011) ·Zbl 1428.76210号
[69] 托特,G.I。;Kvamme,B.,《表面活性剂辅助液相分离的Ginzburg-Landau型模型分析》,Phys。E版,91,3,第032404条pp.(2015)
[70] Tretheway,哥伦比亚特区。;Leal,L.G.,表面活性剂和粘弹性对二维拉伸流中液滴变形的影响,AIChE J.,45,5,929-937(1999)
[71] E.乌兹戈伦。;Sim,J。;Shyy,W.,不规则几何体周围多相流的基于标记的三维自适应笛卡尔网格法,Commun。计算。物理。,5, 1, 1-41 (2008) ·Zbl 1364.76229号
[72] 范德斯曼,R.G.M。;van der Graaf,S.,表面活性剂在平面和液滴界面上吸附的扩散界面模型,Rheol。《学报》,46,1,3-11(2006)
[73] 王,C.Y。;张,C.B。;黄X.Y。;刘晓东。;陈永平,剪切流中二元液滴碰撞过程中翻越运动的流体动力学,中国。物理学。B、 第25、10条,第108202页(2016年)
[74] Xu,J.H.,表面活性剂界面流动的水平集方法,J.Compute。物理。,212, 590-616 (2006) ·Zbl 1161.76548号
[75] 徐建杰。;Ren,W.,具有移动接触线和不溶性表面活性剂的两相流的水平集方法,J.Comput。物理。,263, 71-90 (2014) ·Zbl 1349.76554号
[76] 徐,J.J。;Zhao,H.K.,用于沿移动界面求解偏微分方程的欧拉公式,SIAM J.Sci。计算。,19573-594(2003年)·Zbl 1081.76579号
[77] 徐建杰。;李,Z。;Lowengrub,J。;Zhao,H.,表面态液滴相互作用的数值研究,Commun。计算。物理。,10, 2, 453-473 (2011) ·Zbl 1364.76165号
[78] 徐建杰。;Yang,Y。;Lowengrub,J.,《含不溶性表面活性剂两相流的水平连续法》,J.Compute。物理。,231, 17, 5897-5909 (2012) ·Zbl 1522.76105号
[79] X.Yang,含不溶性表面活性剂界面流动的任意拉格朗日-欧拉方法,明尼苏达大学,2007。;X.Yang,《不溶性表面活性剂界面流动的任意拉格朗日-欧拉方法》,明尼苏达大学,2007年·Zbl 1153.76401号
[80] Young,Y.N。;布蒂,M.R。;西格尔,M。;Li,J.,表面活性剂溶解度对粘性流体中气泡或毛细管射流变形和破裂的影响,Phys。流体,21,7,第072105条pp.(2009)·Zbl 1183.76595号
[81] 岳,P。;Feng,J.J。;刘,C。;沈,J.,《模拟复杂流体两相流的扩散界面法》,J.流体力学。,515, 1, 293-317 (2004) ·Zbl 1130.76437号
[82] 岳,P。;Feng,J.J。;刘,C。;Shen,J.,粘弹性流体中液滴聚并和收缩的扩散界面模拟,J.Non-Newton。流体力学。,129, 3, 163-176 (2005) ·Zbl 1195.76120号
[83] 岳,P。;周,C。;Feng,J.J。;Ollivier-Gooch,C.F。;Hu,H.H.,使用自适应网格有限元对粘弹性流体界面动力学进行相场模拟,J.Compute。物理。,219, 1, 47-67 (2006) ·Zbl 1137.76318号
[84] 岳,P。;周,C。;Feng,J.J.,液滴的自发收缩和相场模拟中的质量守恒,J.Compute。物理。,223,1,1-9(2007年)·Zbl 1115.76077号
[85] 岳,P。;周,C。;Feng,J.J.,运动接触线Cahn-Hilliard模型的尖锐界面极限,J.流体力学。,645,8279(2010年)·Zbl 1189.76074号
[86] 云,A。;李毅。;Kim,J.,水-油表面活性剂系统的新相场模型,应用。数学。计算。,229, 422-432 (2014) ·Zbl 1364.76038号
[87] 张杰。;埃克曼,D.M。;Ayyaswamy,P.S.,《具有可溶性表面活性剂传输的管内可变形血管内气泡的前沿跟踪方法》,J.Compute。物理。,214, 1, 366-396 (2006) ·Zbl 1137.76819号
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