Computational modeling of viscoelastic two-phase systems

Bu doktora tezinde, iki fazlı viskoelastik akış sitemlerinin doğrudan sayısal simülasyonları için bir ara-yüz izleme yöntemi geliştirilmiştir. Bu yöntemde fazlardan herhangi biri veya her iki faz birlikte viskoelastik olabilmektedir. Ara-yüz izleme yönteminde bütün akış alanı için tek bir bünye denklemleri seti yazılmakta ama her bir faz bölgesinde o faza ait akışkan özellikleri kullanılmaktadır. Ayrıca ara-yüze etki eden yüzey gerilme kuvvetleri de hesaba katılmaktadır. Sayısal yöntem standart tek-fazlı ve çok-fazlı viskoelastik test problemlerine başarıyla uygulanarak doğrulanmıştır. Sayısal yöntemin çözüm ağı yakınsamasını sağladığı, fiziksel uzayda ve zamanda ikinci mertebeden doğru olduğu gösterilmiştir. Daha sonra sayısal yöntem basınç-tahrikli ani daralan ve genişleyen kılcal bir kanaldaki çok fazlı akış sistemlerine uygulanmıştır. Damlacık ve ana akışkanın viskoelastik olma durumları ayrı ayrı incelenmiştir. Weissenberg ve Reynolds sayılarının 100 mertebesine kadar ulaştığı durumlar da başarıyla modellenmiştir. Bu simülasyonlarda viskoelastik etkiler FENE-CR modeli kullanılarak hesaba katılmıştır. Akış parametrelerinin etkilerini sistematik bir şekilde incelemek amacıyla çok sayıda simülasyon yapılmıştır. Simülasyonlar sonucunda viskoelastisitenin damlacık ara-yüzeyi ile kuvvetli bir şekilde etkileştiği ve bu etkileşimin son derece karmaşık ve tek düze olmayan formada (non-monotonic) olduğu bulunmuştur. Son olarak sayısal yöntem kullanılarak viskoelastisitenin bir damlacığın katı bir yüzeye çarpması, yüzeyde yayılması ve yüzeyden geri sıçraması üzerindeki etkileri incelenmiştir. Kontak açısı dinamik bir şekilde Kistler (1993) tarafından önerilen korelasyon kullanılarak belirlenmiştir. Özellikle viskoelastik etkilerin üzerinde durulmasına karşın diğer akış parametrelerinin etkileri de incelenmiştir. Viskoelastisitenin damlacığın yüzeyden geri sıçramasını engelleyici bir etki yaptığı bilinmektedir. Fakat simülasyon sonuçları bunun tam aksine viskoelastisitenin damlacık geri sıçramasını artırdığını göstermiştir. Yakın zamanda yapılan deneysel çalışmalar sonucunda, damlacığın geri sıçramasını engelleyen esas etkinin damlacığın sıvısının viskoelastisitesinden kaynaklanmadığı ve bu etkinin esas itibarıyla polimerlerin yüzeye yapışması sonucu yüzey ıslatılabilirlik özelliklerinin değişmesi sonucu ortaya çıktığı yönünde kuvvetli delillere ulaşılmıştır. Bu hipotezi test etmek için bir model geliştirilmiş ve modelin performansı incelenmiştir. Yapılan simülasyonlar sonuçları bu hipotezi destekler mahiyettedir. Ayrıca elde edilen sonuçlar viskoelastik damlacıkların katı yüzeyden geri sıçramama davranışının yüzeyinin ıslatılabilirlik özelliklerinin değiştirilmesi suretiyle doğru bir şekilde modellenebileceğini gösterilmiştir.