Numerical investigation of a single bubble and a pair of bubbles rising in Newtonian and non Newtonian fluids with interfacial passive scalar transfer

Abstract

Aquesta tesi explora el comportament de les bombolles i la seva interacció amb fluids en diferents processos industrials. L'estudi es centra en la dinàmica d'elevació d'una bombolla de gas única i d'un parell de bombolle diferents tipus de fluids, i en la transferència de calor/massa de les bombolles als fluids circumdants. La simulació es realitza utilitzant Basilisk, amb tècniques de refinament de malla adaptatives. Els resultats mostren que la dinàmica d'una bombolla única està fortament influïda pel índex de flux i les propietats reològiques del fluid. El camp de viscositat i la forma de la bombolla estan significativament afectats per les propietats reològiques del fluid. La taxa de transferència de massa augmenta amb el nombre de Peclet i depèn molt de l'índex de flux. El comportament de dues bombolles que s'elevin en línia es caracteritza per diferents patrons de moviment. La taxa de transferència de calor/ massa s'optimitza en règims en què les bombolles segueixen escenaris d'escapada lateral o de Drafting-Kissing- Tumbling. La relació de radi entre la bombolla líder i la que la segueix té un impacte significatiu en el comportament de les bombolles durant l'elevació. La constant de temps inelàstica influeix en el comportament de les bombolles durant l'elevació, provocant més inestabilitat i moviment oscil·latori de les bombolles. L'índex de flux és un paràmetre reològic crucial que afecta el comportament de les bom dueix a un augment de les inestabilitats de la bombolla durant l'elevació.

Esta tesis explora el comportamiento de burbujas y su interacción con fluidos en diferentes procesos industriales. El estudio se enfoca en la dinámica de ascenso de una sola burbuja de gas y de un par de burbujas en diferentes tipos de fluidos, y la transferencia de calor/masa de las burbujas hacia los fluidos circundantes. La simulación se lleva a cabo utilizando Basilisk, con técnicas de refinamiento de malla adaptativa. Los resultados muestran que la dinámica de una sola burbuja está fuertemente influenciada por el índice de flujo y las propiedades reológicas del fluido. El campo de viscosidad y la forma de la burbuja son significativamente afectados por las propiedades reológicas del fluido. La tasa de transferencia de masa aumenta con el número de Peclet y depende mucho del índice de flujo. El comportamiento de dos burbujas ascendentes en línea se caracteriza por diversos patrones de movimiento. La tasa de transferencia de calor/masa se optimiza en regímenes donde las burbujas siguen patrones de escape lateral o de "Drafting-Kissing-Tumbling". La relación de radio entre la burbuja líder y la burbuja en la retaguardia tiene un impacto significativo en el comportamiento de las burbujas durante su ascenso. La constante de tiempo inelástica influye en el comportamiento de las burbujas durante su ascenso, lo que lleva a una mayor inestabilidad y movimiento oscilatorio de las burbujas. El índice de flujo es un parámetro reológico crucial que afecta el comportamiento de las burbu la disminución del índice de flujo conduce a un aumento en las inestabilidades de la burbuja durante su ascenso.

This thesis explores the behavior of bubbles and their interaction with fluids in different industrial processes such as wastewater treatment, and chemical reactions. The study focuses on the rising dynamics of a single gas bubble and a pair of bubbles in different types of fluids, and the heat/mass transfer from the bubbles into the surrounding fluids. The simulation is carried out using Basilisk, with adaptive mesh refinement techniques. The results show that the dynamics of a single bubble are strongly influenced by the flow index and the rheological properties of the fluid. The viscosity field and bubble shape are significantly affected by the rheological properties of the fluid. The mass transfer rate increases with the Peclet number and is highly dependent on the flow index. The behavior of two bubbles rising in-line is characterized by various motion patterns. The heat/mass transfer rate is optimized in regimes where the bubbles follow side escape or Drafting-Kissing-Tumbling scenarios. The radius ratio of the leading to trailing bubble has a significant impact on the behavior of bubbles during rising. The inelastic time constant influences the behavior of bubbles during rising, leading to more instability and oscillatory motion of the bubbles. The flow index is a crucial rheological parameter that affects the behavior of bubbles, and decreasing the flow index leads to an increase in the instabilities of the bubble during rising.