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Collective Dynamics of Particles (eBook)

From Viscous to Turbulent Flows

Cristian Marchioli (Herausgeber)

eBook Download: PDF
2017 | 1st ed. 2017
VII, 128 Seiten
Springer International Publishing (Verlag)
978-3-319-51226-6 (ISBN)

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Collective Dynamics of Particles -
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The book surveys the state-of-the-art methods that are currently available to model and simulate the presence of rigid particles in a fluid flow. For particles that are very small relative to the characteristic flow scales and move without interaction with other particles, effective equations of motion for particle tracking are formulated and applied (e.g. in gas-solid flows). For larger particles, for particles in liquid-solid flows and for particles that interact with each other or possibly modify the overall flow detailed model are presented. Special attention is given to the description of the approximate force coupling method (FCM) as a more general treatment for small particles, and derivations in the context of low Reynolds numbers for the particle motion as well as application at finite Reynolds numbers are provided. Other topics discussed in the book are the relation to higher resolution immersed boundary methods, possible extensions to non-spherical particles and examples of applications of such methods to dispersed multiphase flows.

Preface 6
Contents 8
Modeling and Simulation of Discrete Particles in Fluid Flow 9
1 Introduction 9
2 Motion of Isolated Particles 10
2.1 Gas--Solid Flows 11
2.2 Liquid--Solid Flows 12
2.3 Effects of Finite Particles Reynolds Number 15
2.4 Lift Forces 18
3 Isolated Particles in Simple Flows 20
4 Force Coupling Method 27
4.1 Stokes Flows 30
4.2 Finite Reyonolds Number Flows 31
5 Applications to Suspension Flows 34
5.1 Particle Settling 34
5.2 Couette Flow 37
6 Comments 42
References 42
Modeling and Simulation of Finite-Size Particles in Turbulence 47
1 Introduction 47
2 Basics of Turbulence 50
3 Numerical Methods for Finite-Size Particles 52
4 Finite-Size Effects of Individual Particles 54
4.1 Slip Velocity 55
4.2 Modification of Turbulence 57
4.3 Drag Force in Turbulent Flows 58
4.4 Sedimenting Particles 62
5 Collective Effects of Finite-Size Particles 62
5.1 Two Interacting Particles 63
5.2 Sedimentation 66
5.3 Turbulence Modulation 68
6 Concluding Remarks 71
References 72
Some Aspects of the Collective Dynamics of Particles in Turbulent Flows 74
1 Introduction 74
1.1 Particles in Turbulence 76
1.2 Some Important Aspects of the Collective Dynamics of Particles in Turbulence 79
2 Turbulent Dispersion of Tracer Particles 81
2.1 The Turbulent Pair Dispersion Problem 81
2.2 Batchelor and Richardson Regimes for Pair Dispersion 83
2.3 A Simple Ballistic Phenomenology of Turbulent Superdiffusion 86
3 Preferential Concentration of Inertial Particles in Turbulence 90
3.1 Diagnostics of Preferential Concentration with Voronoï Tessellation 90
3.2 Main Properties of Preferential Concentration in Turbulence 92
3.3 Origins of Preferential Concentration 96
4 Conclusion 100
References 101
Collective Dynamics of Particles in Viscous Flows with an Emphasis on Slender Rods 105
1 Introduction 105
2 General Principles 106
3 Origins of Collective Dynamics 108
3.1 Chaotic Motion Due to Hydrodynamic Interactions 109
3.2 Irreversibilities Due to Contact Interactions 113
4 Calculating the Motion of Rods 114
4.1 Hydrodynamic Models for Rigid Fibers 114
4.2 Slender Body Equation for a Rigid Rod 116
4.3 Motion of a Slender Rod 119
5 Simulating Rigid Rods 122
5.1 Hydrodynamic Interactions 123
5.2 Solving for the Collective Dynamics 124
5.3 Example Calculation 125
5.4 Slender Body Dynamics 127
5.5 Lubrication 128
5.6 Solving 129
6 Collective Dynamics and Chaos 130
7 Concluding Comments 132
References 132

Erscheint lt. Verlag 21.2.2017
Reihe/Serie CISM International Centre for Mechanical Sciences
CISM International Centre for Mechanical Sciences
Zusatzinfo VII, 128 p. 67 illus.
Verlagsort Cham
Sprache englisch
Themenwelt Mathematik / Informatik Mathematik
Naturwissenschaften Physik / Astronomie
Technik Maschinenbau
Schlagworte fluid- and aerodynamics • Force Coupling Method • Gas-solid Flows • Highly Viscous Fluid • Low-Reynolds-number Particles • Stokesian Dynamics • turbulent flows
ISBN-10 3-319-51226-9 / 3319512269
ISBN-13 978-3-319-51226-6 / 9783319512266
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