بررسي تأثيرات ضريب كشش سطح در شبيه سازي عددي كشيدگي و گسستگي يك قطره

بررسي تأثيرات ضريب كشش سطح در شبيه سازي عددي كشيدگي و گسستگي يك قطره

در این مقاله فرآیند كشیدگی قطره و گسستگی آن تحت میدان سرعت مشخص با استفاده از مدل های ثابت، خطی و غیرخطی برای ضریب كشش سطح مورد بررسی قرار گرفته است و تأثیر تغییرات ضریب كشش سطح و همچنین نیروی مارانگونی بر روند حل مشخص شده است. روش VOF جهت تعیین موقعیت سطح آزاد استفاده شده است. جهت محاسبه نیروی كشش سطح روشCSF با ضرایب كشش سطح خطی و غیر خطی كه تابعی از غلظت سطح مشترك است، مورد استفاده قرار گرفته است. كد تهیه شده در حالت تقارن محوری قادر به تحلیل مسائل با سطح آزاد و غیردائم است. برای محاسبه میدان سرعت و فشار از روش صریح MAC و معادله فشار پواسون با استفاده از روش گرادیان ناقص كلفسكی حل شده است. با گذشت زمان مركز قطره باریك و لبه های آن به حالت نیم دایره در می آید. دلیل آن این است كه نیروی كشش سطح در مركز قطره بیشتر از مقدار آن در لبه های آن است. در مدل ضریب كشش سطح ثابت كشیدگی قطره كمتر و به ترتیب كشیدگی در مدل خطی سپس مدل غیر خطی بیشتر می شود. علت آن تأثیر نیروی مارانگونی است. نیروی مارانگونی بیان كننده اثر تغییرات ضریب كشش سطح بر نیروی كشش است. با ادامه روند حل در لبه های باریكه قطره كشش سطح باعث تشكیل قطره های كوچكتری كه از سطح باریكه جدا می شوند گردیده است. در نهایت باریكه مایع به چند قطره تبدیل می شود. نتایج نشان داده شده بیان می كند كد تهیه شده قادر است به خوبی كشیدگی و در نهایت گسسته شدن یك قطره را مدل كند.

An axisymmetric numerical method to simulate the dynamics of insoluble surfactant on a moving liquid–fluid interface is presented. The motion of the interface is captured using a volume-of-fluid method. Surface tension, which can be a linear or nonlinear function of surfactant concentration (equation of state), is included as a continuum surface force. The surfactant evolution is governed by a convection–diffusion equation with a source term that accounts for stretching of the interface. In the numerical method, the masses of the flow components and the surfactant mass are exactly conserved. A number of test cases are presented to validate the algorithm. Simulations of a drop in extensional flow, and its subsequent retraction and breakup upon cessation of the external flow, are performed. Even when the initial surfactant distribution is dilute, we observe that increases in surfactant concentration locally can result in a local deviation from the dilute limit. We show that this can lead to differences in effective surface tension, the Marangoni forces and the associated drop dynamics between results using the linear and nonlinear equations of state.