[論文レビュー] Computational modelling of gas-liquid-solid multiphase free surface flow with and without evaporation

Huihuang Xia, Marc Kamlah|arXiv (Cornell University)|Jul 18, 2023

Fluid Dynamics and Heat TransferEngineering被引用数 3

ひとこと要約

本稿では、蒸発を伴う・伴わない気相-液体-固体多相界面流れをシミュレートするための改善された解像度のあるCFD-DEMフレームワークを提示する。部分的に浮遊する粒子に対する洗練された毛細管力モデルを組み込み、流体-固体相互作用および粒子軌道を正確に予測している。ベンチマークケースによる検証と、蒸発駆動による粒子輸送および蓄積のシナリオの提示により妥当性が確認されている。

ABSTRACT

Gas-liquid-solid multiphase systems are ubiquitous in engineering applications, e.g. inkjet printing, spray drying and coating. Developing a numerical framework for modelling these multiphase systems is of great significance. An improved, resolved CFD-DEM framework is developed to model the multiphase free surface flow with and without evaporation. An improved capillary force model is developed to compute the capillary interactions for partially floating particles at a free surface. Two well-known benchmark cases, namely drag coefficient calculation and the single sphere settling, are conducted to validate the resolved CFD-DEM model. It turns out that the resolved CFD-DEM model developed in this paper can accurately calculate the fluid-solid interactions and predict the trajectory of solid particles interacting with the liquid phase. Numerical demonstrations, namely two particles moving along a free surface when the liquid phase evaporates, and particle transport and accumulations inside an evaporating sessile droplet show the performance of the resolved model.

研究の動機と目的

• インクジェット印刷やスプレー乾燥などの工学的応用分野における、複雑な気相-液体-固体多相自由表面流れをシミュレートする計算フレームワークの開発。
• 部分的に浮遊する固体粒子と自由表面との間の毛細管相互作用を正確にモデル化する課題への対処。
• 解像度のあるCFD-DEM手法を、自由表面を有する多相系における蒸発効果を含めるように拡張。
• 既存のベンチマークと比較してモデルを検証し、粒子輸送および蓄積を伴う現実的な流れシナリオにおける予測能力を示す。

提案手法

• 気相-液体自由表面における部分的に浮遊する粒子に作用する界面力の計算を目的とした、改善された毛細管力モデルを開発。
• 解像度のあるCFD-DEMフレームワークは、計算流体力学（CFD）と離散要素法（DEM）を組み合わせ、解像度スケールでの流体-粒子および粒子-粒子相互作用を解明。
• 多相流れにおける液体相の自由表面を追跡するために、体積フラッド（VOF）法を採用。
• 蒸発を液体-気相界面における表面質量移動プロセスとしてモデル化し、VOFフレームワークと連携。
• 時間発展シミュレーション用に、流体力学、粒子力学、界面力の統合されたモノリシックソルバに統合。
• 流体-固体相互作用の精度を検証するために、抵抗係数の算出および単一球体の沈降といったベンチマークケースを用いる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 解像度のあるCFD-DEMフレームワークは、蒸発を伴わない自由表面流れにおける流体-固体相互作用をどの程度正確に予測できるか？
• RQ2 改善された毛細管力モデルは、自由表面における部分的に浮遊する粒子の運動にどのような影響を及えるか？
• RQ3 蒸発するセッサイルドロップレットの過程で、モデルは粒子輸送および蓄積をどのようにシミュレートするか？
• RQ4 フレームワークは、蒸発下での液体ブリッジ形成や粒子移動といった複雑な多相流挙動を捉えられるか？
• RQ5 モデルは、多相系における抵抗および沈降に関する既存のベンチマーク結果をどの程度正確に再現するか？

主な発見

• 解像度のあるCFD-DEMモデルは、静止流体内における単一球体の抵抗係数および沈下軌道を正確に予測しており、流体力学的コンponentの妥当性が裏付けられている。
• 改善された毛細管力モデルは、自由表面における部分的に浮遊する粒子の平衡位置および力の釣り合いを的確に捉えている。
• 蒸発過程で自由表面に沿って移動する2粒子のシミュレーションにおいて、毛細管力に起因する接触線方向への粒子移行を再現している。
• 蒸発するセッサイルドロップレットの縁に粒子が蓄積する現象を、マランゴニ効果および毛細管流に起因して正確にシミュレートしている。
• 蒸発、自由表面変形、粒子輸送を伴う複雑な多相相互作用のシミュレーションにおいて、本フレームワークは頑健性と正確性を示している。