Análisis computacional de la formación y desprendimiento de gotas
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Introducción al problema
La creación y la rápida sedimentación de las gotas que se produce de forma continua, la impresión o el diseño de pequeñas características (digamos l = 10-3-1 mm) y la formación de películas delgadas con un espesor controlado y uniforme mediante pulverización, son de gran importancia para una gran variedad de aplicaciones industriales tanto antiguas como nuevas.
Los procesos de transferencia de líquido y formación / deposición de gotas involucran flujos complejos de superficie libre y formación de cuellos columnares que experimentan inestabilidad.
La motivación principal para el cálculo es examinar la posibilidad de utilizar el enfoque de volumen de fluido (VOF) de FLOW-3D para entender de forma mecánica la dinámica pinch-off de los fluidos newtonianos. De tal forma que obtenemos el análisis computacional que captura la interacción compleja de las tensiones capilares, inerciales y viscosas que determina la dinámica de la reducción capilar y de pellizco auto-similar.
El éxito en la simulación de flujos prototípicos sitúa a FLOW-3D como el mejor software para un análisis computacional de la dinámica no lineal subyacente a la singularidad de tiempo finito, la formación de gotas satelitales y la capacidad de impresión en geometrías más complejas, que son más difíciles de describir o estudiar usando modelos 1D.
Enfoque de modelado y espacio de parámetros
Se realizaron simulaciones de formación de gotas y separación de una boquilla utilizando un tamaño de malla uniforme en FLOW-3D empleando los modelos de Tensión Superficial y Gravedad.
La formación de gotas y la separación de un volumen finito de fluido implica la interacción de la capilaridad, la inercia, la viscosidad y el drenaje inducido por la gravedad dentro de un cuello que conecta una gota creciente colgante con una boquilla.
En la simulación, se emite un volumen finito de un fluido newtoniano desde una boquilla de acero inoxidable (
Las simulaciones se dividen en dos grupos para dilucidar la influencia dramática de la viscosidad del fluido: fluidos de baja viscosidad (por ejemplo, agua y mezclas de glicerol / agua con un contenido de glicerol <40% en peso) y fluidos de alta viscosidad (por ejemplo, glicerol y mezclas de agua y glicerol) viscosidad> 100x Viscosidad del agua).
Conclusiones, perspectivas y trabajo en curso
Los resultados preliminares muestran que el análisis computacional basado en FLOW-3D se puede usar para simular flujos prototípicos de superficie libre subyacentes a la formación y desprendimiento de gotas. Encontramos que los perfiles de evolución del radio simulado coinciden con las leyes de escalado y la dinámica de pinch-off que se observan experimentalmente y se predice teóricamente para los fluidos inviscid, así como para los fluidos newtonianos de alta viscosidad.
FLOW-3D permite una evaluación robusta de la magnitud de las tensiones subyacentes y del campo de flujo extensional (tanto la uniformidad como la magnitud) y la visualización del flujo presentado dentro del filamento líquido diluido.
Los gradientes de velocidad de corriente asociados con el campo de flujo extensional surgen dentro de los cuellos columnares sometidos a un adelgazamiento impulsado por capilaridad. En los fluidos reológicamente complejos, las tensiones extra elásticas así como la cizalladura no-newtoniana y la viscosidad extensional alteran drásticamente la dinámica de pinch-off no lineal.
Actualmente estamos implementando modelos constitutivos con viscoelasticidad y reología no newtoniana en FLOW-3D para desarrollar protocolos computacionales robustos con el objeto de evaluar la procesabilidad de fluidos complejos.
