Течение суспензии твердых частиц в канале с пористыми стенками
Автор: Скульский О.И.
Журнал: Вычислительная механика сплошных сред @journal-icmm
Статья в выпуске: 2 т.16, 2023 года.
Бесплатный доступ
На основе уравнений баланса импульса и массы с привлечением закона Дарси и уравнения для скорости оседания тяжелых частиц поставлена краевая задача нестационарного двумерного течения суспензии. В постановке учитывается влияние седиментации и утечки дисперсионной среды через пористые стенки. Для решения задачи предложена конечно-элементная модель течения суспензии и эволюции распределения концентрации твердых частиц в канале с пористыми стенками. Система дифференциальных уравнений краевой задачи записывалась в форме Галеркина с использованием схемы Кранка-Николсон, дискретизация расчетной области осуществлялась треугольными элементами. Полученная система алгебраических уравнений с ленточной структурой решалась методом Гаусса. Для согласования скоростей основного потока суспензии и скорости фильтрации жидкой фракции через стенки на каждом шаге по времени вводилась итерационная процедура. В качестве примера проведен расчет процесса транспортировки суспензии в плоском канале с оттоком дисперсионной среды через пористые стенки и нестационарным неоднородным распределением концентрации твердых частиц. Вычисления с осуществлялись с помощью оригинального пакета FEM FLOW, результаты выводились в графическом виде. Показано, что с течением времени, за счет утечек дисперсионной среды через пористые стенки, твердые частицы занимают все больший объем, их концентрация в канале повышается, эффективная вязкость растет, продвижение частиц замедляется. Расход суспензии при заданном на входе постоянном давлении падает и спустя некоторое время становится равным общему расходу утечек жидкой фазы через пористые стенки. Продвижение частиц прекращается, и этому моменту соответствует предельная длина заполнения канала частицами.
Суспензия твердых частиц, численная модель, пористые стенки, влияние утечек, седиментация, длина заполнения
Короткий адрес: https://sciup.org/143180518
IDR: 143180518 | УДК: 532.5.032 | DOI: 10.7242/1999-6691/2023.16.2.22
Flow of suspension of solid particles in a channel with porous walls
A boundary value problem for a nonstationary two-dimensional suspension flow is formulated based on the basis of the momentum and mass balance equations using the Darcy law and the equation for the settling rate of heavy particles. The proposed formulation takes into account the effect of sedimentation and leakage of the dispersion medium through porous walls. The solution of the problem is developed in the framework of the proposed finite element model describing the suspension flow and the evolution of the solid particle concentration distribution in a channel with porous walls. The system of differential equations of the boundary value problem is written in the Galerkin form using the Crank-Nicolson scheme, and discretization of the computational domain is carried using triangular elements. The resulting system of algebraic equations written in band form is solved by the Gauss method. An iterative procedure is introduced to correlate the velocities of the main flow of the suspension and the seepage rate of the liquid fraction through the walls at each time step. As an example, the calculation of the process of transporting a suspension in a flat channel with an efflux of the dispersion medium through porous walls and a non-stationary inhomogeneous distribution of the solid particle concentration is presented. The calculations were carried out using the original FEM FLOW package; the results obtained were then presented in a graphical form. It is shown that in the course of time the leakage of the dispersion medium through the porous walls causes solid particles to occupy an increasing volume, the concentration of particles in the channel grows higher, the effective viscosity increases, the movement of particles slows down. The flow rate of the suspension at a given constant pressure at the inlet decreases, and after some time becomes equal to the total rate of liquid phase leakage through the porous walls. The movement of particles stops, and the time it happens corresponds to the maximum length of the channel filled with particles.
Список литературы Течение суспензии твердых частиц в канале с пористыми стенками
- Kleinstreuer C. Two-phase flow: Theory and applications. Taylor and Francis, 2003. 512 p. https://doi.org/10.1201/9780203734865
- Леонтьев Н.Е. О структуре фронта пористости при движении суспензии в пористой среде // Вестн. Моск. ун-та. Сер. 1. Матем., мех. 2006. № 5. С. 73-76.
- Фортье А. Механика суспензий. М.: Мир, 1971. 264 с.
- Ходаков Г.С. Реология суспензий. Теория фазового течения и ее экспериментальное обоснование // Рос. хим. ж. (Ж. Рос. хим. об-ва им. Д.И. Менделеева). 2003. Т. XLVII, № 2. С. 33-43.
- Guillou S., Makhloufi R. Effect of a shear-thickening rheological behaviour on the friction coefficient in a plane channel flow: A study by direct numerical simulation // Journal of Non-Newtonian Fluid Mechanics. 2007. Vol. 144. P. 73-86. https://doi.org/10.1016/j.jnnfm.2007.03.008
- Seth J.R., Mohan L., Locatelli-Champagne C., Cloitre M., Bonnecaze R.T. A micromechanical model to predict the flow of soft particle glasses // Nature Mater. 2011. Vol. 10. P. 838-843. https://doi.org/10.1038/nmat3119
- Galindo-Rosalesa F.J., Rubio-Hernбndez F.J., Sevilla A. An apparent viscosity function for shear thickening fluids // Journal of Non-Newtonian Fluid Mechanics. 2011. Vol. 166. P. 321-325. https://doi.org/10.1016/j.jnnfm.2011.01.001
- Boyer F., Guazzell E., Pouliquen O. Unifying suspension and granular rheology // Phys. Rev. Lett. 2011. Vol. 107. 188301. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.107.188301
- Nakanishi H., Nagahiro S., Mitarai N. Fluid dynamics of dilatant fluids // Phys. Rev. E. 2012. Vol. 85. 011401. https://doi.org/10.1103/PhysRevE.85.011401
- Урьев Н.Б. Физико-химические основы технологии дисперсных систем и материалов. М.: Химия, 1988. 255 с.
- Tanner R.I. Engineering rheology. Oxford University Press, 2000. 586 p.
- Brown E., Jaeger H.M. Shear thickening in concentrated suspensions: phenomenology, mechanisms and relations to jamming // Rep. Prog. Phys. 2014. Vol. 77. 046602. http://iopscience.iop.org/0034-4885/77/4/046602
- Denn M.M., Morris J.F. Rheology of non-Brownian suspensions // Annu. Rev. Chem. Biomol. Eng. 2014. Vol. 5. P. 203 228. https://doi.org/10.1146/annurev-chembioeng-060713-040221
- Mari R., Seto R., Morris J.F., Denn M.M. Nonmonotonic flow curves of shear thickening suspensions // Phys. Rev. E. 2015. Vol. 91. 052302. https://doi.org/10.1103/PhysRevE.91.052302
- Vázquez-Quesada A., Ellero M. Rheology and microstructure of non-colloidal suspensions under shear studied with Smoothed Particle Hydrodynamics // Journal of Non-Newtonian Fluid Mechanics. 2016. Vol. 233. P. 37-47. https://doi.org/10.1016/j.jnnfm.2015.12.009
- Nagahiro S., Nakanishi H. Negative pressure in shear thickening bands of a dilatant fluid // Phys. Rev. E. 2016. Vol. 94. 062614. https://doi.org/10.1103/PhysRevE.94.062614
- Singh A., Mari R., Denn M.M., Morris J.F. A constitutive model for simple shear of dense frictional suspensions // J. Rheol. 2018. Vol. 62. P. 457-468. https://doi.org/10.1122/1.4999237
- Liu A.J., Nagel S.R. The jamming transition and the marginally jammed solid // Annu. Rev. Condens. Matter Phys. 2010. Vol.1. P. 347-369. https://doi.org/10.1146/annurev-conmatphys-070909-104045
- Vázquez-Quesada A., Wagner N.J., Ellero M. Planar channel flow of a discontinuous shear-thickening model fluid: Theory and simulation // Phys. Fluid. 2017. Vol. 29. 103104. https://doi.org/10.1063/1.4997053
- Pan Zh., de Cagny H., Weber B., Bonn D. S-shaped flow curves of shear thickening suspensions: Direct observation of frictional rheology // Phys. Rev. E. 2015. Vol. 92. 032202. https://doi.org/10.1103/PhysRevE.92.032202
- Singh A., Pednekar S., Chun J., Denn M.M., Morris J.F. From yielding to shear jamming in a cohesive frictional suspension // Phys. Rev. Lett. 2019. Vol. 122. 098004. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.122.098004
- Egres R.G., Wagner N.J. The rheology and microstructure of acicular precipitated calcium carbonate colloidal suspensions through the shear thickening transition // J. Rheol. 2005. Vol. 49. P. 719-746. https://doi.org/10.1122/1.1895800
- Скульский О.И. Реометрические течения концентрированных суспензий твердых частиц // Вычисл. мех. сплош. сред. 2020. Т. 13, № 3. С. 269-278. https://doi.org/10.7242/1999-6691/2020.13.3.21
- Скульский О.И. Особенности течения концентрированных суспензий твердых частиц // Вычисл. мех. сплош. сред. 2021. Т. 14, № 2. С. 210-219. https://doi.org/10.7242/1999-6691/2021.14.2.18
- Yao J., Tao K., Huang Z. Flow of particulate-fluid suspension in a channel with porous walls // Transp. Porous Med. 2013. Vol. 98. P. 147-172. https://doi.org/10.1007/s11242-013-0137-y
- Tsepelev I., Ismail-Zadeh A., Melnik O. Lava dome morphology inferred from numerical modeling // Geophys. J. Int. 2020. Vol. 223. P. 1597-1609. https://doi.org/10.1093/gji/ggaa395
- Скульский О.И., Фонарев А.В., Кузнецова Ю.Л. «FEM FLOW» – конечно-элементная программа для расчета течения вязкоупругой жидкости в каналах со свободной поверхностью с учетом неизотермичности: cвидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ № 2007611760 от 25.04.2007.