Effects of Fluid Viscoelasticity in Non-Isothermal Flows

Chinyoka, T.

doi:10.5772/21299

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“…For a detailed overview of viscoelastic stress constitutive models we refer the reader, say, to [1,2,3]. The incorporation of the non-isothermal effects to the polymer-stress constitutive models is now a well developed field, see for example [5,6,7,8,9,10,11,12,13,14].…”

Section: Introductionmentioning

confidence: 99%

Finite Volume Computational Analysis of the Heat Transfer Characteristic in a Double-Cylinder Counter-Flow Heat Exchanger with Viscoelastic Fluids

Mavi

Chinyoka

2023

DDF

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This work presents a computational analysis of the heat-exchange characteristics in a double-cylinder (also known as a double-pipe) geometrical arrangement. The heat-exchange is from a hotter viscoelastic fluid flowing in the core (inner) cylinder to a cooler Newtonian fluid flowing in the shell (outer) annulus. For optimal heat-exchange characteristics, the core and shell fluid flow in opposite directions, the so-called counter-flow arrangement.The mathematical modelling of the given problem reduces to a system of nonlinear coupled Partial Differential Equations (PDEs). Specifically, the rheological behaviour of the core fluid is governed by the Giesekus viscoelastic constitutive model. The governing system of coupled nonlinear PDEs is intractable to analytic treatment and hence is solved numerically using Finite Volume Methods (FVM). The FVM numerical methodology is implemented via the open-source software package OpenFOAM. The numerical methods are stabilized, specifically to address numerical instabilities arising from the High Weissenberg Number Problem (HWNP), via a combination of the Discrete Elastic Viscous Stress Splitting (DEVSS) technique and the Log-Conformation Reformulation (LCR) methodology. The DEVSS and LCR stabilization techniques are integrated into the relevant viscoelastic fluid solvers. The novelties of the study center around the simulation and analysis of the optimal heat-exchange characteristics between the heated Giesekus fluid and the coolant Newtonian fluid within a double-pipe counter-flow arrangement. Existing studies in the literature have either focused exclusively on Newtonian fluids and/or on rectangular geometries. The existing OpenFOAM solvers have also largely focused on non-isothermal viscoelastic flows. The relevant OpenFOAM solvers are modified for the present purposes by incorporating the energy equation for viscoelastic fluid flow. The flow characteristics are presented qualitatively (graphically) via the fluid pressure, temperature, velocity, and the polymer-stress components as well as the related normal stress differences. The results illustrate the required decrease in the core fluid temperature in the longitudinal direction due to the cooling effects of the shell fluid, whose temperature predictably increases in the counter-flow direction.

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Section: Introductionmentioning

confidence: 99%

Finite Volume Computational Analysis of the Heat Transfer Characteristic in a Double-Cylinder Counter-Flow Heat Exchanger with Viscoelastic Fluids

Mavi

Chinyoka

2023

DDF

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“…A modelagem matemática desses efeitos tem sido objeto de estudo em aplicações industriais, quími-cas, assim como no processamento de alimentos. Trabalhos recentes [2,3] têm investigado sobre quais condições um fluido não-newtoniano e newtoniano influenciam as propriedades térmicas, bem como os parâmetros que controlam o fluido em tais condições. Neste trabalho, apresentamos o desenvolvimento de um método numérico para escoamentos de fluidos viscoelásticos não-isotérmicos.…”

Section: Introductionunclassified

Desenvolvimento de uma Metodologia Numérica para Escoamentos Viscoelásticos Não-Isotérmicos

Oishi¹,

Gentile²

2014

Proceeding Series of the Brazilian Society of Computational and Applied Mathematics

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Resumo: Neste trabalho apresentamos uma metodologia para a simulação de escoamentos viscoelásticos não-isotérmicos onde a viscosidade e o tempo de relaxação do fluido são dependentes da temperatura. O fluido viscoelástico é definido pela equação constitutiva Oldroyd-B onde os parâmetros dependentes da temperatura são modelados pela relação WLF (Willians-Landel-Ferry). A metodologia numérica empregada para resolver o modelo não-isotérmico é baseada no método MAC para escoamentos viscoelásticos via método de projeção. Nesta metodologia, as equações de Navier-Stokes e a equação constitutiva são discretizadas pelo método de diferenças finitas em uma malha deslocada. A implementação é feita em uma plataforma de programação de alto desempenho denominada FREEFLOW-2D para a simulação de escoamentos incompressíveis bidimensionais. A metodologia é validada pela simulação do fluido newtoniano em um canal formado por placas paralelas com diferentes malhas.Palavras-chave: Escoamentos Não-Isotérmico, Relação WLF, Escoamento Viscoelástico, Equações de Navier-Stokes IntroduçãoO frequente interesse na determinação dos efeitos da variação da temperatura, calor e elasticidade em um fluido, tem motivado o estudo dos escoamentos viscoelásticos não-isotérmicos [4,5]. A modelagem matemática desses efeitos tem sido objeto de estudo em aplicações industriais, quími-cas, assim como no processamento de alimentos. Trabalhos recentes [2, 3] têm investigado sobre quais condições um fluido não-newtoniano e newtoniano influenciam as propriedades térmicas, bem como os parâmetros que controlam o fluido em tais condições. Neste trabalho, apresentamos o desenvolvimento de um método numérico para escoamentos de fluidos viscoelásticos não-isotérmicos.As equações de que descrevem escoamentos incompressíveis, viscoelásticos e não-isotérmicos são as equações de conservação de massa, conservação de movimento e conservação de energia, que na forma dimensional conservativa são dadas, respectivamente, por:(1)∂(ρe) ∂t + ∇ · (ρue) = −∇ · q + Q,

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Effects of Fluid Viscoelasticity in Non-Isothermal Flows

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Finite Volume Computational Analysis of the Heat Transfer Characteristic in a Double-Cylinder Counter-Flow Heat Exchanger with Viscoelastic Fluids

Finite Volume Computational Analysis of the Heat Transfer Characteristic in a Double-Cylinder Counter-Flow Heat Exchanger with Viscoelastic Fluids

Desenvolvimento de uma Metodologia Numérica para Escoamentos Viscoelásticos Não-Isotérmicos

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