Modeling the orientation of elongated particles in channel flows
Loading...
URL
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Perustieteiden korkeakoulu |
Master's thesis
Unless otherwise stated, all rights belong to the author. You may download, display and print this publication for Your own personal use. Commercial use is prohibited.
Authors
Date
2021-03-16
Department
Major/Subject
Teknillinen fysiikka
Mcode
SCI3056
Degree programme
Master’s Programme in Engineering Physics
Language
en
Pages
63 + 10
Series
Abstract
Cellulose nanofibrils (CNF) are a promising new material to produce bio-compatible fibers with advantageous mechanical characteristics. Recently, remarkably tough CNF fibers have been experimentally prepared by controlling the alignment of the nanofibrils in an extrusion capillary. In this Thesis, the flow of the CNF suspension is computationally simulated using OpenFOAM implementing the Fokker-Planck orientation model. In the Fokker-Planck model, CNF behavior is represented in probabilistic manner using a probability distribution function (PDF). The present OpenFOAM simulation is based on (a) a model implemented previously by Michael Mohtaschemi, which solves the Fokker-Planck orientation model in simple shear, and (b) the standard OpenFOAM icoFoam which solves the incompressible Navier-Stokes equation using the PISO algorithm. Validation is performed by comparing the results of the new simulation with the original model. Agreement between the two models is rather good. The simulation is run on a two-dimensional tapered channel representing a section of the extrusion capillary. The resulting PDFs are plotted at three different location in the computational mesh. The results show that the degree of alignment of the CNF was roughly proportional to the shear rate. In addition, physical fields, such as velocity, kinematic pressure, magnitude of the strain rate tensor and effective kinematic viscosity are plotted. The effective viscosity profile shows two regions of maximal viscosity spanning from the edges of the inlet to the center of the outlet of the channel. Stability conditions are presented which impose bounds for the PDF discretization and time step parameters. Stability considerations introduce feasibility issues due to an increase in computational cost. To improve the feasibility of the application, a hybrid parallel programming model is implemented and tested.Selluloosananofibrilleista (engl. cellulose nanofibril, CNF) voidaan mahdollisesti tuottaa tulevaisuudessa kuituja, jotka ovat bioyhteensopivia ja mekaanisesti lujia. Mekaanisesti huomattavan suorituskykyisiä CNF-kuituja on pystytty äskettäin tuottamaan kokeellisesti hallitsemalla fibrillien orientoitumista kapillaarissa, jonka läpi CNF-suspensio puristetaan. Tässä opinnäytetyössä CNF-suspension virtaamista simuloidaan laskennallisesti OpenFOAM-kirjastoja hyödyntävällä sovelluksella, joka implementoi Fokker-Planck orientaatiomallin. Fokker-Planck-mallissa nanofibrillien käyttäytymistä mallinnetaan orientaatiota kuvaavalla todennäköisyysjakauman avulla. OpenFOAM-simulaatio perustuu kahteen alkuperäiseen ohjelmaan: (a) Mikael Mohtaschemin kirjoittamaan ohjelmaan, joka ratkaisee Fokker-Planck-mallin yksinkertaisen leikkausvirtauksen tapauksessa sekä (b) OpenFOAM-kirjaston icoFoam-ohjelmaan, joka ratkaisee puristumattomat Navier-Stokes yhtälöt PISO-algoritmilla. Uuden simulaation validointi suoritettiin vertaamalla laskettua todennäköisyysjakaumaa alkuperäisen ohjelman tuloksiin. Todennäköisyysjakaumien välillä todetaan pieniä eroja, jotka ovat selitettävissä tarkastelemalla ohjelmien välisiä eroja. OpenFOAM-simulaatiota ajetaan kaksiulotteisella kapenevalla kanavalla, joka vastaa muodoltaan CNF-kuitujen valmistuksessa käytettävää kapillaaria. Simuloitu orientaatiotodennäköisyysjakauma piirretään kolmessa laskentahilan pisteessä. Tulosten perusteella todetaan, että nanofibrillien suuntautuminen on verrannollinen leikkausnopeuteen. Lisäksi esitetään lasketut fysikaaliset suureet, kuten virtausnopeus, kinemaattinen paine, leikkausnopeustensorin itseisarvo sekä efektiivinen kinemaattinen viskositeetti. Efektiivisen viskositeettin profiilissa havaitaan kaksi symmetristä maksimaalisen viskositeetin aluetta, jotka ulottuvat kanavan sisääntulon reunoista ulosmenoaukon keskelle. Stabiilisuusehdot, jotka asettavat ehdot todennäköisyysjakauman diskretointiparametreille sekä aika-askeleen suuruudelle. Stabiilisuusnäkökohdat kasvattavat laskennan vaativuutta. Sovelluksen käytettävyyden parantamiseksi implementoidaan ja testataan rinnakkaislaskennan hybridimalli.Description
Supervisor
Alava, MikkoThesis advisor
Puisto, AnttiKorhonen, Marko
Keywords
cellulose nanofibrils, OpenFOAM, Fokker-Planck, computational physics