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趣味レーション_ケイ効果

mistletoes

ケイ効果

ケイ効果とは、シャンプーのような液体を噴出した時に、液だまりの中から急に跳ね上がる現象。これには、液体の非ニュートン性(Shear thinning性)とわずかな空気層が影響しているらしい。

この文献を参考に。https://arxiv.org/pdf/1501.04322

計算方法

ソルバーにはOpenFOAM-v2406のinterFoamを用い、BirdCarreauモデルでShear thinning性を与える。文献の式(53)をOpenFOAMのBirdCarreauモデルに当てはめると、transportPropertiesは以下となる。ただし、試行錯誤により、文献のパラメータ(55)とはnu0が異なる。

water
{
    transportModel  BirdCarreau;
    nu              9.803e-03; // 10.0[Pa*s]/1020[kg/m^3] = 10.0/1020[m^2/s]
    rho             1020;      // [kg/m^3]

    BirdCarreauCoeffs
    {
        nu0         9.803e-03; // 10.00/1020[m^2/s]
        nuInf       9.803e-07; // 0.001/1020[m^2/s]
        a           3;
        k           0.001;     // 1/970[s]
        n           -2;
    }
}

air
{
    transportModel  Newtonian;
    nu              1.667e-05; // 2.0e-05[Pa*s]/1.20[kg/m^3] = 2.0e-05/1.20[m^2/s]
    rho             1.20;      // [kg/m^3]
}

sigma               0.03;      // [N/m]

上記のBirdCarreauモデルのせん断速度に対する粘度変化をグラフ化すると、文献のFigure 14と同様のShear thinning性を持つ。

液体のShear thinning性

気液界面は、dynamicRefineFvMeshの最大分割レベル2で細分化。
文献では液体の流入速度は1.75[m/s]だが、これも試行錯誤の末に2.60[m/s]とした。

計算結果

解析ソフトも計算メッシュも異なるため、文献とは異なる粘度と速度ではあるが、文献のFigure 15のようなケイ効果が再現できた。

気相(黄色)と液相(青色)

この時の液体の粘度は以下となる。Shear thinning性により低粘度となる部分が、潤滑剤として働くようだ。

粘度 [Pa*s]

粘度の動画
















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