Un solucionador de fluidos plásticos de Bingham para el flujo turbulento de mezclas de sedimentos densos y fangosos
Autores: Adams, Ian; Simeonov, Julian; Bateman, Samuel; Keane, Nathan
Idioma: Inglés
Editor: MDPI
Año: 2023
Acceso abierto
Artículo científico
2023
Un solucionador de fluidos plásticos de Bingham para el flujo turbulento de mezclas de sedimentos densos y fangosos
Categoría
Ingeniería y Tecnología
Subcategoría
Ingeniería Mecánica
Palabras clave
Desarrollado
Modelo numérico
Simulaciones que resuelven la turbulencia
Mezclas de barro y agua
Capas límite en el fondo
Ecuaciones de dos fases
Velocidad del fluido promediada por volumen
Solucionador de flujo compresible
Fuerza de gradiente de presión oscilante
Materiales plásticos de Bingham
Propiedades reológicas
Pruebas de simulación numérica directa
Fluido plástico de Bingham
Números de Reynolds
Turbulencia
Flujo oscilatorio en la capa límite del fondo
Estratificación de densidad
Sedimento resuspendido
Lutoclina
Acuerdo del solucionador
Licencia
CC BY-SA – Atribución – Compartir Igual
Consultas: 1
Citaciones: Sin citaciones
Hemos desarrollado y probado un modelo numérico para simulaciones que resuelven la turbulencia de mezclas densas de barro y agua en capas límite de fondo oscilatorias, basado en una formulación de bajo número de Stokes de las ecuaciones de dos fases. La ecuación no Boussinesq resultante para el momento del fluido está acoplada a una ecuación de transporte para la concentración volumétrica de barro, dando lugar a una velocidad del fluido promediada por volumen que no es solenoidal, y el modelo se implementó como un nuevo solucionador de flujo compresible. Se implementó una fuerza de gradiente de presión oscilante en el paso de corrección del método semi-implícito estándar para ecuaciones de presión vinculadas (SIMPLE), para ser consistente con el tratamiento de otras fuerzas volumétricas (por ejemplo, la gravedad). El solucionador de flujo se acopló además a una nueva biblioteca para materiales plásticos de Bingham, con el fin de modelar las propiedades reológicas de mezclas densas de barro utilizando tensiones de fluencia y viscosidades dependientes de la concentración determinadas empíricamente. Presentamos tres pruebas de simulación numérica directa para validar el nuevo solucionador MudMixtureFoam contra soluciones numéricas anteriores y datos experimentales. La primera consideró el flujo estacionario de un fluido plástico de Bingham con concentración uniforme alrededor de una esfera, con números de Bingham que varían de 1 a 100 y números de Reynolds que varían de 0.1 a 100. La segunda consideró el desarrollo de turbulencia en el flujo de la capa límite de fondo oscilante, y mostró la formación de una capa intermitentemente turbulenta con perturbaciones de velocidad máxima que superan el 10 por ciento de la velocidad de flujo del freestream y que ocurren a una distancia del fondo comparable al grosor de la capa límite de Stokes. La tercera consideró los efectos de la estratificación de densidad debido a sedimentos resuspendidos en la turbulencia del flujo de la capa límite de fondo oscilante con un número de Richardson en bloque de 1x10-4 y un número de Stokes-Reynolds de 1000, y mostró la formación de una lutoclina entre 20 y 40 profundidades de la capa límite de Stokes. En todos los casos, el nuevo solucionador produjo una excelente concordancia con los resultados anteriores.
Descripción
Hemos desarrollado y probado un modelo numérico para simulaciones que resuelven la turbulencia de mezclas densas de barro y agua en capas límite de fondo oscilatorias, basado en una formulación de bajo número de Stokes de las ecuaciones de dos fases. La ecuación no Boussinesq resultante para el momento del fluido está acoplada a una ecuación de transporte para la concentración volumétrica de barro, dando lugar a una velocidad del fluido promediada por volumen que no es solenoidal, y el modelo se implementó como un nuevo solucionador de flujo compresible. Se implementó una fuerza de gradiente de presión oscilante en el paso de corrección del método semi-implícito estándar para ecuaciones de presión vinculadas (SIMPLE), para ser consistente con el tratamiento de otras fuerzas volumétricas (por ejemplo, la gravedad). El solucionador de flujo se acopló además a una nueva biblioteca para materiales plásticos de Bingham, con el fin de modelar las propiedades reológicas de mezclas densas de barro utilizando tensiones de fluencia y viscosidades dependientes de la concentración determinadas empíricamente. Presentamos tres pruebas de simulación numérica directa para validar el nuevo solucionador MudMixtureFoam contra soluciones numéricas anteriores y datos experimentales. La primera consideró el flujo estacionario de un fluido plástico de Bingham con concentración uniforme alrededor de una esfera, con números de Bingham que varían de 1 a 100 y números de Reynolds que varían de 0.1 a 100. La segunda consideró el desarrollo de turbulencia en el flujo de la capa límite de fondo oscilante, y mostró la formación de una capa intermitentemente turbulenta con perturbaciones de velocidad máxima que superan el 10 por ciento de la velocidad de flujo del freestream y que ocurren a una distancia del fondo comparable al grosor de la capa límite de Stokes. La tercera consideró los efectos de la estratificación de densidad debido a sedimentos resuspendidos en la turbulencia del flujo de la capa límite de fondo oscilante con un número de Richardson en bloque de 1x10-4 y un número de Stokes-Reynolds de 1000, y mostró la formación de una lutoclina entre 20 y 40 profundidades de la capa límite de Stokes. En todos los casos, el nuevo solucionador produjo una excelente concordancia con los resultados anteriores.