شبيه سازي برخورد همزمان دو قطره موازي بر روي لايه ي نازك مايع با استفاده از روش شبكه بولتزمن

Modeling of simultaneous impact of two parallel drops on a thin liquid film using Lattice Boltzmann Method

در اين مقاله برخورد همزمان دو قطره‌ي موازي بر روي فيلم نازك مايع به روش شبكه بولتزمن مورد بررسي قرار مي‌گيرد. هدف از اين پژوهش بررسي تأثير مقدار كشش سطحي (در قالب عدد وبر)، فاصله بين دو قطره و لزجت سينماتيك گاز بر روي برخورد است. مدل عددي توسعه داده شده در اين مقاله كه بر پايه مدل دوفازي تك جزئي شان و چن است، امكان دست‌يابي به نسبت چگالي‌هايي به بزرگي 1000، لزجت‌هاي كم و تنظيم مقدار كشش سطحي مستقل از نسبت چگالي را فراهم مي‌كند. اعتبار‌سنجي مدل دوفاز با مقايسه چگالي فازها با مقادير متناظر از حل تحليلي ماكسول، ارزيابي قانون لاپلاس براي قطره و شبيه‌سازي برخورد يك قطره به سطح مايع صورت مي‌گيرد. نتايج شبيه‌سازي برخورد همزمان دو قطره نشان مي‌دهد كه پس از برخورد، دو جتي كه بين دو قطره بالا آمده‌اند به يكديگر مي‌پيوندند و تشكيل يك جت مركزي مي‌دهند. ارتفاع اين جت به مرور زمان افزايش مي‌يابد كه منجر به جدا شدن قطره‌هاي ثانويه از نوك آن مي‌شود. با كاهش مقدار كشش سطحي ارتفاع جت مركزي افزايش امّا اندازه قطره‌هاي جدا شده از آن كاهش مي‌يابد. شكل تاج مشاهده شده در برخورد يك قطره در برخورد همزمان دو قطره نيز ديده مي‌شود. افزايش فاصله بين دو قطره سبب كاهش ارتفاع جت مركزي و افزايش شعاع تاج مي‌‌شود. با اين وجود ميزان ارتفاع تاج مستقل از فاصله بين دو قطره مشاهده شد. در نهايت افزايش لزجت گاز سبب كاهش سرعت بالا آمدن جت مركزي و تأخير در جدا شدن قطره‌هاي ثانويه از نوك آن ميگردد.

In this paper, simultaneous impact of two parallel drops on a thin liquid film is investigated using the lattice Boltzmann method. The purpose of this study is to investigate the effects of surface tension (characterized by Weber number), distance between two drops, and gas kinematic viscosity on the impact. The developed numerical model in this paper which is based on the Shan and Chen pseudopotential twophase model makes it possible to access large density ratios, low viscosities, and tunable values of surface tension independent of the density ratio. The model is validated by comparing the coexistence densities with those of Maxwell analytical solution, evaluating the Laplace law for a droplet, and simulating single droplet impact on a thin liquid film. Simulation results of two drops simultaneous impact show that after impact, two jets raised between the drops join each other and form a central jet. Height of this jet increases with time leading to separation of secondary droplets from its tip. When the surface tension value is decreased, the central jet height is increased, but size of the separated droplets is reduced. The crown shape observed in single drop impact is also seen in simultaneous impact of two drops. Increasing distance between two drops leads to a smaller central jet height and an increase in the crown radius. The crown height, however, was found to be independent of the distance. Finally, increasing gas kinematic viscosity reduces the central jet rising speed and delays separation of secondary droplets from the jet.