Modeling and simulation of complex flows using Basset digital filters
- 1. Cadi Ayyad University
- 2. Laboratoire Angevin de Mécanique, Procédés et InnovAtion
- 3. ParisTech
- 4. École nationale supérieure d'arts et métiers
Description
Taking into account the Basset force (memory term), in the balance of the forces exerted on a colloidal particle (CP) suspended in a fluid, results in an equation of motion of integrodifferential form. This type of equation allows for example to modeling a colloidal particle settling in an quiescent fluid or in a fluid flowing at low particle's Reynolds number. It also allows to study the transport of pathogens via aerosols, thus giving access to important information on the airborne propagation of respiratory viruses, such as COVID-19 and its variants for example. Most studies of the PCs motion in a fluid are usually simplified by not taking into account the Basset memory force, as it considerably complicates the numerical solution of the equations of motion of these PCs. This simplification can lead to considerable errors in the evaluation of the trajectory and velocity of the PCs, which can subsequently lead to errors in the calculation of the physical and rheological properties of colloidal suspensions. The present study deals with the numerical solution of Basset's integro-differential equation, by two significantly different approaches, namely : a piecewise linear approximation (PLA) and the method of Basset numerical filters (BNF). These methods are first exposed and compared on test cases, they are then applied to the study of the sedimentation of spherical PCs with micrometer radii. This study has shown that the usual dynamics of PCs, which does not take into account the Basset memory term, can be very different from the exact dynamics using the Basset force. The BNF approach is finally applied to the study of the motion of PCs driven by flows through complex geometries (pipes, porous media, …).
Translated Descriptions
Translated Description (Arabic)
مع الأخذ في الاعتبار قوة الباسيت (مصطلح الذاكرة)، في توازن القوى المبذولة على الجسيم الغرواني (CP) المعلق في السائل، ينتج عنه معادلة حركة ذات شكل تكاملي تفاضلي. يسمح هذا النوع من المعادلات على سبيل المثال بنمذجة جسيم غرواني يستقر في مائع هادئ أو في مائع يتدفق عند رقم رينولدز للجسيم المنخفض. كما يسمح بدراسة نقل مسببات الأمراض عبر الهباء الجوي، مما يتيح الوصول إلى معلومات مهمة حول الانتشار الجوي لفيروسات الجهاز التنفسي، مثل COVID -19 ومتغيراته على سبيل المثال. عادة ما يتم تبسيط معظم دراسات حركة PCS في السائل من خلال عدم مراعاة قوة ذاكرة Basset، لأنها تعقد بشكل كبير الحل العددي لمعادلات حركة هذه PCS. يمكن أن يؤدي هذا التبسيط إلى أخطاء كبيرة في تقييم مسار وسرعة PCS، والتي يمكن أن تؤدي لاحقًا إلى أخطاء في حساب الخصائص الفيزيائية والريولوجية للمعلقات الغروية. تتناول الدراسة الحالية الحل العددي لمعادلة باسيت التفاضلية المتكاملة، من خلال نهجين مختلفين بشكل كبير، وهما : التقريب الخطي القطعي (PLA) وطريقة مرشحات باسيت العددية (BNF). يتم الكشف عن هذه الطرق أولاً ومقارنتها في حالات الاختبار، ثم يتم تطبيقها على دراسة ترسيب PCs الكروية مع أنصاف أقطار الميكرومتر. أظهرت هذه الدراسة أن الديناميكيات المعتادة لأجهزة الكمبيوتر، والتي لا تأخذ في الاعتبار مصطلح ذاكرة باسيت، يمكن أن تكون مختلفة تمامًا عن الديناميكيات الدقيقة باستخدام قوة باسيت. يتم تطبيق نهج المستفيدين أخيرًا على دراسة حركة أجهزة الكمبيوتر التي تحركها التدفقات من خلال الأشكال الهندسية المعقدة (الأنابيب، الوسائط المسامية،...).Translated Description (French)
La prise en compte de la force de Basset (terme mémoire), dans l'équilibre des forces exercées sur une particule colloïdale (CP) en suspension dans un fluide, conduit à une équation de mouvement de forme intégrodifférentielle. Ce type d'équation permet par exemple de modéliser une particule colloïdale se déposant dans un fluide au repos ou dans un fluide s'écoulant à faible nombre de Reynolds de la particule. Il permet également d'étudier le transport des agents pathogènes via les aérosols, donnant ainsi accès à des informations importantes sur la propagation aérienne des virus respiratoires, comme le COVID-19 et ses variantes par exemple. La plupart des études du mouvement des PC dans un fluide sont généralement simplifiées en ne tenant pas compte de la force de mémoire de Basset, car cela complique considérablement la solution numérique des équations de mouvement de ces PC. Cette simplification peut conduire à des erreurs considérables dans l'évaluation de la trajectoire et de la vitesse des PC, ce qui peut ensuite conduire à des erreurs dans le calcul des propriétés physiques et rhéologiques des suspensions colloïdales. La présente étude traite de la solution numérique de l'équation integro-différentielle de Basset, par deux approches significativement différentes, à savoir : une approximation linéaire par morceaux (PLA) et la méthode des filtres numériques de Basset (BNF). Ces méthodes sont d'abord exposées et comparées sur des cas d'essai, elles sont ensuite appliquées à l'étude de la sédimentation des PC sphériques de rayons micrométriques. Cette étude a montré que la dynamique habituelle des PC, qui ne prend pas en compte le terme de mémoire de Basset, peut être très différente de la dynamique exacte utilisant la force de Basset. L'approche BNF est enfin appliquée à l'étude du mouvement des PCs pilotés par des écoulements à travers des géométries complexes (tuyaux, milieux poreux, …).Translated Description (Spanish)
Teniendo en cuenta la fuerza de Basset (término de memoria), en el equilibrio de las fuerzas ejercidas sobre una partícula coloidal (CP) suspendida en un fluido, da como resultado una ecuación de movimiento de forma integrodiferencial. Este tipo de ecuación permite, por ejemplo, modelar una partícula coloidal que se asienta en un fluido quiescente o en un fluido que fluye a un número de Reynolds de partícula bajo. También permite estudiar el transporte de patógenos a través de aerosoles, dando así acceso a información importante sobre la propagación aérea de virus respiratorios, como el COVID-19 y sus variantes, por ejemplo. La mayoría de los estudios del movimiento de los PCs en un fluido suelen simplificarse al no tener en cuenta la fuerza de memoria de Basset, ya que complica considerablemente la solución numérica de las ecuaciones de movimiento de estos PCs. Esta simplificación puede conducir a errores considerables en la evaluación de la trayectoria y velocidad de los PCs, que posteriormente pueden conducir a errores en el cálculo de las propiedades físicas y reológicas de las suspensiones coloidales. El presente estudio trata la solución numérica de la ecuación integro-diferencial de Basset, mediante dos enfoques significativamente diferentes, a saber : una aproximación lineal por tramos (Pla) y el método de filtros numéricos de Basset (BNF). Estos métodos se exponen primero y se comparan en casos de prueba, luego se aplican al estudio de la sedimentación de PC esféricos con radios micrométricos. Este estudio ha demostrado que la dinámica habitual de los PC, que no tiene en cuenta el término de memoria de Basset, puede ser muy diferente de la dinámica exacta utilizando la fuerza de Basset. El enfoque BNF finalmente se aplica al estudio del movimiento de los PC impulsados por flujos a través de geometrías complejas (tuberías, medios porosos,...).Files
e3sconf_iccsre21_01018.pdf.pdf
Files
(24 Bytes)
| Name | Size | Download all |
|---|---|---|
|
md5:7624dcbc096921e31a1da610e19a546e
|
24 Bytes | Preview Download |
Additional details
Additional titles
- Translated title (Arabic)
- نمذجة ومحاكاة التدفقات المعقدة باستخدام مرشحات باسيت الرقمية
- Translated title (French)
- Modélisation et simulation de flux complexes à l'aide de filtres numériques Basset
- Translated title (Spanish)
- Modelado y simulación de flujos complejos mediante filtros digitales Basset
Identifiers
- Other
- https://openalex.org/W3200400439
- DOI
- 10.1051/e3sconf/202129701018