Bingham plasztikus közeg áramlása egyenes csőben
Bingham plasztikus közeg áramlása egyenes csőben
Minkó Martin MSc I. évf.
e-mail: martin.minko999@gmail.com
Konzulens: Dr. Csizmadia Péter, Hidrodinamikai Rendszerek Tanszék
e-mail: pcsizmadia@hds.bme.hu
A mérnöki tudományokban egyre nagyobb jelentőséggel bír a numerikus szimuláció alkalmazása, amelyre a jelen kutatás is erősen támaszkodik. A dolgozat témája a nemnewtoni közegek áramlásának numerikus vizsgálata hidraulikailag sima valamint érdes csövekben. A szimulációkat Ansys CFX környezetben végeztük. A geometriánk egy 0,05 m átmérőjű kör keresztmetszet 1/16-od cikkelye, amelynek hossza 1 m (20D). A háló négyzet alapú elemekből áll csőfalhoz közeli sűrítéssel; az elemszám 105 000 cella.
A dolgozat során elsőként víz közeggel vizsgáljuk a sima és érdes csöveket, az azokon eső nyomást, mivel e közeg esetében széleskörű szakirodalmi tapasztalat áll rendelkezésre, illetve méréssel is könnyen reprodukálható, így a kapott eredmények jóságáról meggyőződhetünk.
Víz közegre a szimulációk mind a sima, mind az érdes cső esetében kellően pontosak. Sima cső esetben a lamináris tartományon analitikusan levezethető összefüggést, turbulens tartományon pedig a Blasius-formulát használjuk. Az eredmények mind a lamináris, mind a turbulens esetben megfelelnek a szakirodalomnak. Érdes csőfal melletti eredményeinket a Colebrook-White összefüggéshez viszonyítva vizsgáljuk. Itt is kellően pontos eredményeket kaptunk a mérnökileg fontos érdességi tartományokban. A szakirodalmi adatokkal összehasonlítva a hibák maximum 10%-osak, de az esetek többségében 5%-on belül vannak. Nagy érdességek mellett már nagy eltérést tapasztalunk, ez feltehetőleg származhat a szimuláció beállításának hibájából.
Nemnewtoni tesztközegként egy valódi, mindennapi anyag, a fogkrém tulajdonságait vizsgáltuk. A fogkrém Bingham típusú nemnewtoni közeg, vagyis kellően kis csúsztató feszültségek mellett szilárd testként viselkedik. A τ0 határfeszültséget átlépve azonban megkezdődik az alakváltozás, mely ezen túl a newtoni folyadékokéhoz hasonló. Ezen anyagnál a sima és érdes tartományon is tapasztaljuk az úgynevezett dugós áramlás kialakulását, mely azt jelenti, hogy a víznél, a lamináris tartományban megszokott parabola alakú sebességprofil helyett dugó alakút láthatunk a folyadék viszkozitásának és határfeszültségének köszönhetően.
A nemnewtoni folyadékok esetében a szimuláció kiértékelése hasonlóan történt, mint a víz esetében, azonban itt egy anyagtípus-specifikus Re,mod módosított Reynolds-számot definiálunk, mely magában hordozza az anyagjellemzőket, így a newtoni közegekhez képest ugyanazokkal a szakirodalmi összefüggésekkel élhetünk.
A Bingham plasztikus közeggel végzett számításaink a lamináris tartományon a szakirodalommal összehasonlítva kellően pontos eredményt adtak. Ennél kevésbé egyértelmű, hogy a turbulens áramlási tartományon érvényes összefüggések is jól működtek, igaz itt kis eltérést tapasztaltunk; a számítás jellemzően felülbecsli a Blasius-formulát. Az érdes csőfal mellett végzett szimulációk is mérnökileg megfelelő eredményt adtak.
Irodalom:
Madlener, Frey, Ciezky. „GENERALIZED REYNOLDS NUMBER FOR NON-NEWTONIAN FLUIDS.” Progress in Propulsion Physics, 2009: 244.
Csizmadia, Péter, és Csaba Hős. „CFD-based estimation and experiments on the loss coefficient for Bingham and power-law fluids through diffusers and elbows.” Computers and Fluids, 2014.
szerző
-
Minkó Martin
Gépészmérnöki mesterképzési szak
mesterképzés (MA/MSc)
konzulens
-
Dr. Csizmadia Péter
egyetemi adjunktus, Hidrodinamikai Rendszerek Tanszék
