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Laminar and turbulent particle laden flows: a numerical and experimental study
KTH, School of Engineering Sciences (SCI), Mechanics. Linné Flow Center, FLOW and Ruhr-University Bochum, Germany.
2019 (English)Doctoral thesis, monograph (Other academic)
Abstract [en]

Particle laden flows are widespread in nature and in industrial applications. Dust storms, geophysical flows, pharmaceutical processes, fluidized beds and blood flow are only a few examples. Both global and local properties of a particle laden flow may alter significantly in comparison to the corresponding single phase flow. While the bulk behavior of such flows is subject to rheological investigations since many decades, it is just recently that we learn about the detailed dynamics of individual finite-size particles and their influence on the behavior of the carrier phase. The main goal of the present thesis is to employ latest numerical and experimental methods to gain a more fundamental understanding of the dynamics of finite-size particles and associated changes in laminar and turbulent suspension flows at relatively high particle concentrations. To this end, the current research project is conducted in three main steps. First, the inertial migration of finite-size neutrally buoyant spherical particles in a laminar square duct flow is investigated numerically. Next, using fully resolved Direct Numerical Simulations (DNSs), we study a turbulent square duct flow laden with finite-size neutrally buoyant spherical particles. Finally, an experimental framework is developed to explore the spatio-temporal dynamics of finite-size spherical particles in semidilute suspensions in micro-scale systems. Recently, inertial migration of particles in laminar pressure driven flows were successfully utilized to sort and separate particles and cells. While these studies are restricted to very dilute suspensions, little is known about particle separation based on inertial migration for suspensions at high solid volume fractions. In the present study, we investigate the inertial migration of particles by means of an Immersed Boundary Method (IBM), in a laminar square duct flow for suspensions with solid volume fractions between 0.4% to 20% and bulk Reynolds numbers ranging from 144 to 550. The bulk Reynolds number is found to be the key parameter in defining the final distribution of particles over the duct cross section in a dilute suspension (phi=0.4%). However, as solid volume fraction increases, we show that the behavior of particles depends on both the solid volume fraction and the bulk Reynolds number. We also found that the presence of solid particles induces secondary motions in a laminar duct flow regardless of the solid volume fraction. Indeed, we observed similarities to secondary motions of an unladen turbulent duct flow. Previous investigations of turbulent particulate flows have been mostly focused on the behavior of very small particles in canonical flows such as a plane channel flow and flow over a flat plate. However, industrial flow processes commonly take place in more complex geometries. Here, we also study turbulent duct flows laden with finite-size neutrally buoyant spherical particles. We consider a fixed bulk Reynolds number of Re=5600 and suspensions at three different solid volume fractions of 5%, 10% and 20%. We show that the turbulence intensity increases for suspensions up to 10% but then strongly decreases for 20%. This drop is observed to go along with a distribution of particles that mostly accumulate at the duct corners for solid volume fractions of 5% and 10% and in the duct core region for phi=20%. The interaction between particles and turbulent structures as well as particles and turbulent induced secondary flows are documented in detail in the present study. Despite recent advances in computer technology, computational cost of fully resolved numerical simulations of suspension flows are still very high. Hence, experimental studies are essential to access the overall dynamics of suspension flows. In the present study, a measurement framework is developed based on Astigmatism Particle Tracking Velocimetry (APTV) to study the three-dimensional dynamics of finite-size particles in micro-scale flows. The measurement technique is successfully applied to study the behavior of decelerating suspensions flowing over a backward-facing step at low bulk Reynolds number of Re=4. Suspensions of neutrally buoyant PMMA particles with 30 micro meter diameter at three different solid volume fractions of 0.1%, 2% and 10% are considered. We utilize Refractive Index Matching (RIM) to gain optical accessibility to suspensions also at high solid volume fractions. Moreover, a few number of particles are fluorescently labelled to act as suspension tracers. By resolving the 3D particle dynamics, an onset of reduced particle velocities could be evaluated with increasing solid volume fraction for a flow with strong out-of-plane particle displacements.

Abstract [sv]

Flöden med partiklar finns utbrett i naturen och i industriella tillämpningar. Dammstormar, geofysiska flöden, farmaceutiska processer, fluidiserade bäddar och blodflöde är bara några exempel. Både globala och lokala egenskaper hos ett partikelbelastat flöde kan förändras signifikant i jämförelse med motsvarande enfasflöde. Medan flödesbeteendet hos sådana flöden har varit föremål för reologiska undersökningar sedan många årtionden, är det just nyligen vi lärt oss om den detaljerade dynamiken hos enskilda partiklar med begränsad storlek och deras påverkan på bärarfasens beteende. Huvudmålet med denna avhandling är att använda de senaste numeriska och experimentella metoderna för att få en mer grundläggande förståelse för dynamiken hos partiklar av finit storlek och därtill hörande förändringar i laminära och turbulenta suspensionsflöden vid relativt höga partikelkoncentrationer. För detta ändamål genomförs det pågående forskningsprojektet i tre huvudsteg. För det första undersöks tröghetsmigreringen av finita neutralt flytande sfäriska partiklar i ett laminärt kvadratkanalflöde numeriskt. Därefter studerar vi ett helt turbulent kvadratkanalflöde som laddas med finita neutralt flytande sfäriska partiklar med hjälp av fullt upplösta direkta numeriska simuleringar (DNS). Slutligen utvecklas en experimentell ram för att utforska den spatio-temporala dynamiken hos finita sfäriska partiklar i halvutspädda suspensioner i mikrosystem. Nyligen användes tröghetsmigrering av partiklar i laminärt tryckdrivna flöden framgångsrikt för att sortera och separera partiklar och celler. Även om dessa studier är begränsade till mycket utspädda suspensioner är lite känt om partikel-separation baserat på tröghetsmigrering för suspensioner vid höga volymfraktioner. I detta arbete undersöker vi tröghetsmigrering av partiklar med hjälp av en 'immersed boundary' metod (IBM) i ett laminärt kvadratkanalflöde för suspensioner med volymmängder mellan 0.4% till 20 % och Reynoldstal som sträcker sig från 144 till 550. Reynoldstalet har visat sig vara nyckelparametern vid bestämning av den slutliga fördelningen av partiklar över kanaltvärsnittet i en utspädd suspension (phi=0.4%). Men, vi visar att då volymfraktionen av soliden ökar beror partiklarnas beteende på både volymfraktionen och Reynoldstalet. Vi fann också att närvaron av fasta partiklar inducerar sekundära rörelser i ett laminärt kanalflöde oberoende av den fasta volymfraktionen. Vi observerade likheter med sekundära rörelser i ett turbulent enfaskanalflöde. Tidigare undersökningar av turbulenta partikelflöden har i huvudsak fokuserats på beteendet hos mycket små partiklar i kanoniska flöden, såsom ett plankanalflöde och flöde över en plan platta. Emellertid sker industriella flödesprocesser vanligtvis i mer komplexa geometrier. Här studerar vi också turbulenta kanalflöden belastade med finita neutralt flytande sfäriska partiklar. Vi betraktar ett fast Reynoldstal på Re =5600 och suspensioner i tre olika volymmängder av 5%, 10% och 20%. Vi visar att den turbulenta aktiviteten ökar för suspensioner upp till 10% men sjunker sedan kraftigt för 20%. Denna minskning observeras för en fördelning av partiklar som för det mesta ackumuleras vid kanalens hörn för volymprocent av 5% och 10% och i kanalkärnregionen för phi=20%. Samspelet mellan partiklar och turbulenta strukturer samt partiklar och turbulenta inducerade sekundära flöden dokumenteras i detalj i föreliggande studie. Trots de senaste framstegen inom datateknik är beräkningskostnaden för fullständigt lösta numeriska simuleringar av suspensionsflöden fortfarande mycket hög. Därför är experimentella studier avgörande för att få tillgång till den totala dynamiken av suspensionsflöden. I den aktuella studien utvecklas en mätram enligt Astigmatism Particle Tracking Velocimetry (APTV) för att studera den tredimensionella dynamiken hos partiklar med ändlig storlek i mikroskalaflöden. Mättekniken tillämpas framgångsrikt för att studera beteendet hos decelererande suspensioner som flödar över ett bakåtriktat trappsteg vid ett lågt Reynoldstal Re_b=4. Suspensioner av neutralt flytande PMMA-partiklar med 30 micro meter diameter vid tre olika volymfraktioner av 0,1%, 2% och 10% beaktas. Vi använder Refractive Index Matching (RIM) för att få optisk tillgänglighet till suspensionerna även vid höga volymmängder. Dessutom flourescensmärks ett antal partiklar för att fungera som suspensionspårare. Genom att lösa 3D-partikeldynamiken kan en uppkomst av reducerade partikelhastigheter utvärderas med ökande volymandel i ett flöde med starka partikelförskjutningar ut ur planet.

Abstract [de]

Partikelbeladene Strömungen sind in der Natur und in industriellen Anwendungen weit verbreitet. Staubstürme, geophysikalische Strömungen, pharmazeutische Prozesse, Wirbelschichten und Blutfluss sind nur einige Beispiele. Sowohl die globalen als auch die lokalen Eigenschaften einer partikelbeladenen Strömung können sich im Vergleich zur entsprechenden Einphasenströmung signifikant verändern. Während das Bulkverhalten solcher Strömungen seit vielen Jahrzehnten rheologisch untersucht wird, ist die detaillierte Dynamik von „finite-size“ Partikeln und deren Einfluss auf das Verhalten der Trägerphase erst seit Forschungsgegenstand. Das Hauptziel der vorliegenden Arbeit ist der Einsatz neuester numerischer und experimenteller Methoden, um ein grundlegenderes Verständnis der Dynamik solcher „finite-size“ Partikel und der Wechselwirkungen in laminaren und turbulenten Suspensionsströmungen bei relativ hohen Partikelkonzentrationen zu gewinnen. Zu diesem Zweck wird das aktuelle Forschungsprojekt in drei Hauptschritten durchgeführt. Zunächst wird die hydrodynamische Migration von dichteangepassten kugelförmigen Partikeln in einer laminaren Kanalströmung mit quadratischem Strömungsquerschnitt numerisch untersucht. Als nächstes untersuchen wir mit Hilfe der vollständig aufgelösten Direkten Numerischen Simulation (DNS) eine turbulente Kanalströmung mit quadratischem Strömungsquersch-nitt mit dichteangepassten, kugelförmigen, „finite-size“ Partikeln. Schließlich wird eine experimentelle Methodik entwickelt, um die räumlich-zeitliche Dynamik kugelförmiger Partikel in halbverdünnten Suspensionen in mikrofluidischen Systemen zu untersuchen. In jüngster Zeit wurde die Migration von Partikeln in laminaren, druckgetriebenen Strömungen erfolgreich genutzt, um Partikel und Zellen zu sortieren und zu trennen. Während sich diese Studien auf sehr verdünnte Suspensionen beschränken, ist wenig über die Partikelabscheidung basierend auf hydrodynamischer Migration von Suspensionspartikeln mit hohem Feststoffvolumen bekannt. In der vorliegenden Studie untersuchen wir die hydrodynamische Migration von Partikeln mittels einer Immersed Boundary Method (IBM), in einer Kanalströmung mit Feststoffvolumenanteilen zwischen 0,4% und 20% und Reynolds-Zahlen im Bereich von 144 bis 550. Die Bulk-Reynolds-Zahl erweist sich als Schlüsselparameter bei der Definition der endgültigen Verteilung der Partikel über den Kanalquerschnitt in einer verdünnten Suspension (phi=0,4%). Es konnte gezeigt werden, dass das Verhalten von Partikeln sowohl vom Feststoffvolumenanteil als auch von der Reynolds-Zahl mit steigendem Feststoffvolumenanteil zunehmend abhängt. Es wurde auch gezeigt, dass, unabhängig vom Feststoffvolumenanteil, durch Feststoffpartikel Sekundärströmungen in der laminaren Strömung induziert werden. Diese zeigen starke Ähnlichkeiten mit der Sekundärströmung einer einphasigen, turbulenten Kanalströmung. Frühere Untersuchungen turbulenter Suspensionsströmungen konzentrierten sich vor allem auf das Verhalten sehr kleiner Partikel in kanonischen Strömungsgeometrien wie beispielsweise einem ebenen Kanal oder einer ebenen Platte. Industrielle Strömungsprozesse finden jedoch häufig in komplexeren Geometrien statt. Daher werden hier turbulente Kanalströmungen mit „finite-size“ Partikeln untersucht. Wir betrachten eine feste Reynoldszahl von 5600 und Suspensionen bei drei verschiedenen Feststoffvolumenanteilen von 5%, 10% und 20%. Wir zeigen, dass die Turbulenzintensität bei Suspensionen mit Konzentrationen von bis zu 10% zunimmt bevor sie wiederum bis zu einer Partikelkonzentration von 20% stark abnimmt. Dieser Rückgang geht einher mit einer Umverteilung von Partikeln, die sich meist an den Kanalecken bei Festvolumenanteilen von 5% und 10% und im Kanalkernbereich phi=20% ansammeln. Die Wechselwirkung zwischen Partikeln und turbulenten Strukturen sowie Partikeln und turbulent induzierten Sekundärströmungen wird ausführlich untersucht. Trotz der jüngsten Fortschritte in der Computertechnologie sind die Rechenzeiten für vollständig aufgelöste numerische Simulationen von Suspensionsströmungen immer noch sehr hoch. Daher sind experimentelle Studien unerlässlich, um die Gesamtdynamik von Suspensionsströmungen zu erfassen. In der vorliegenden Studie wird eine Messmethodik auf der Grundlage von Astigmatismus Particle Tracking Velocimetry (APTV) entwickelt, um die dreidimensionale Dynamik von „finite-size“ Partikeln in Mikroströmungen zu untersuchen. In der vorliegenden Arbeit wenden wir die Messtechnik erfolgreich ein, um das Verhalten einer Suspensionsströmung über eine rückwärtsgerichtete Stufe bei einer Bulk-Reynoldszahl von 4 zu untersuchen. Hierfür werden Suspensionen dichteangepasster PMMA-Partikel mit 30 Mikrometer Durchmesser bei drei verschiedenen Volumenanteilen von 0,1%, 2% und 10% vermessen. Mit Hilfe einer Brechungsindexanpassung (RIM), wird die Strömung auch für hohe Festvolumenanteile optisch zugänglich gemacht. In der Suspension sind einige wenige Partikel fluoreszierend markiert, um als Suspensionstracer zu fungieren. Durch die Auflösung der 3D-Partikeldynamik konnte so schließlich die Abnahme der Partikelgeschwindigkeiten mit steigendem Feststoffvolumenanteil für eine Strömung mit starken „Out-of-Plane“ Partikelverschiebungen ausgewertet werden.

Place, publisher, year, edition, pages
Stockholm: KTH Royal Institute of Technology, 2019. , p. 158
Series
TRITA-SCI-FOU ; 2019:31
Keywords [en]
Suspension flow, inertial effect, turbulent duct flow, finite-size particles, Immersed Boundary Method (IBM), Astigmatism Particle Tracking Velocimetry (APTV)
National Category
Fluid Mechanics and Acoustics
Research subject
Engineering Mechanics
Identifiers
URN: urn:nbn:se:kth:diva-250801ISBN: 978-91-7873-218-0 (print)OAI: oai:DiVA.org:kth-250801DiVA, id: diva2:1313950
Public defence
2019-06-06, IC 3/156, Universitätsstraße 150, Bochum, Germany, 11:00 (English)
Opponent
Supervisors
Note

This PhD has been conducted as a joint program between KTH Royal Institute of Technology in Stockholm, Sweden and Ruhr-University Bochum in Bochum, Germany.

QC 20190508

Available from: 2019-05-08 Created: 2019-05-07 Last updated: 2019-05-09Bibliographically approved

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Tabaeikazerooni, Seyed Hamid
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