Numerical modeling of high aspect ratio fibers in fluid flows

Abstract

Aquesta tesi utilitza un model de fibra a nivell de partícules per estudiar les suspensions de fibres en fluxos de fluids. En aquest model, cada fibra es representa com una cadena de segments cilíndrics connectats per articulacions esfèriques, que experimenten forces i torsions hidrodinàmiques. S'analitzen dos models de fibra, flexibles i rígids. El model es valida amb resultats teòrics i experimentals, captant diversos règims de deformació de les fibres. L'estudi també explora la dinàmica de les fibres en fluxos cel·lulars viscosos, posant l'accent en la influència de les condicions inicials i les propietats de les fibres en el seu comportament. Les simulacions investiguen la floculació de les fibres en fluxos turbulents, desvelant el paper de la desviació balística impulsada per la inèrcia de les fibres i els gradients de flux en la millora de la floculació. L'estudi posa de manifest la importància de la resolució del flux de fluid en l'anàlisi de la floculació de les fibres.

Esta tesis emplea un modelo de fibras a nivel de partículas para estudiar suspensiones de fibras en flujos de fluidos. En este modelo, cada fibra se representa como una cadena de segmentos cilíndricos conectados por articulaciones esféricas, experimentando fuerzas y torques hidrodinámicos. Se consideran dos modelos de fibras, flexibles y rígidos. El modelo se valida mediante resultados teóricos y experimentales, capturando varios regímenes de deformación de las fibras. El estudio también explora la dinámica de las fibras en flujos celulares viscosos, haciendo hincapié en el impacto de las condiciones iniciales y las propiedades de las fibras en su comportamiento. Las simulaciones investigan la floculación de las fibras en flujos turbulentos, revelando el papel de la desviación balística impulsada por la inercia de las fibras y los gradientes de flujo en la mejora de la floculación. El estudio destaca la importancia de la resolución del flujo de fluidos en el análisis de la floculación de las fibras.

This thesis employs a particle-level fiber model to study fiber suspensions in fluid flows. In this model, each fiber is represented as a chain of cylindrical segments connected by ball and socket joints, experiencing hydrodynamic forces and torques. Two fiber models, flexible and rigid, are considered. The model is validated against theoretical and experimental results, capturing various fiber deformation regimes. The study also explores fiber dynamics in viscous cellular flows, emphasizing the impact of initial conditions and fiber properties on their behavior. Simulations investigate fiber flocculation in turbulent flows, revealing the role of ballistic deflection driven by fiber inertia and flow gradients in enhancing flocculation. The study highlights the importance of fluid flow resolution in analyzing fiber flocculation.