عنوان

مطالعه عددي رفتار هيدروديناميكي يك جت مايع ديسكي در داخل يك استوانه قائم الاستيك

Number

پ۲۹۷۷۰

.Language of Text, Soundtrack etc

per

Title Proper

مطالعه عددي رفتار هيدروديناميكي يك جت مايع ديسكي در داخل يك استوانه قائم الاستيك

First Statement of Responsibility

امیرحسین حریری

Name of Publisher, Distributor, etc.

مکانیک

Date of Publication, Distribution, etc.

۱۴۰۱

Specific Material Designation and Extent of Item

۱۲۱ص.

Accompanying Material

سی دی

Dissertation or thesis details and type of degree

کارشناسی ارشد

Discipline of degree

مکانیک- تبدیل انرژی

Date of degree

۱۴۰۲/۰۶/۳۰

Text of Note

در این رساله، رفتار هیدرودینامیکی یک حباب کاویتاسیونی منفرد تولید شده با لیزر در داخل استوانه صلب/ الاستیک به صورت عددی مورد بررسی قرار می‌گیرد. انگیزه اصلی این پژوهش، محاسبه عددی ضربه میکروجت دیسکی مایع پدید آمده از رشد و فروپاشی حباب تولید شده توسط لیزر به دیواره استوانه با هدف بهره مندی از مزایای پدیده کاویتاسیون در کاربردهای مختلف صنعتی و پزشکی از جمله مدلسازی چگونگی امکان زدودن ضایعات کلسیفیکاسیون در عروق کرونری است. بررسی مذکور با دو رویکرد مختلف صورت می‌پذیرد: الف) رویکرد مبتنی بر در نظر گرفتن معادلات ناویر استوکس به عنوان معادله حاکم بر سیال و استفاده از بسته نرم‌افزاری متن باز OpenFOAM و فرض صلب بودن جداره استوانه، و ب) رویکرد جریان پتانسیل و استفاده از زبان برنامه نویسی فرترن و الاستیک فرض نمودن جداره استوانه.در رویکرد نخست، مسأله در ابتدا با مدلسازی رفتار یک حباب منفرد نمونه ایجاد شده با لیزر در محیط بی نهایت (آب) آغاز می‌شود تا اعتبار کد OpenFOAM با مقایسه نتایج حل‌های تحلیلی رشد حباب در محیط بی نهایت نظیر مدل گیلمور و نتایج آزمایشگاهی صحت سنجی گردد. به منظور توانمندسازی کد OpenFOAM در تحلیل دقیق‌تر مسئله مورد علاقه، قابلیت شبیه‌سازی مدل‌های رایج مایعات غیر نیوتنی و همین طور اثرات تراکم پذیری غیر خطی در فاز مایع، و نیز اثر هم حجم مولکول‌های سیال داخل حباب (هوا)، به حلگر اصلی OpenFOAM افزوده گردیده است. در ادامه، ضمن معرفی موارد مطالعاتی اصلی که در آنها یک حباب منفرد با شرایط اولیه مختلف در مرکز/ خارج از مرکز استوانه‌ای با راستاهای قرارگیری مختلف نسبت به افق، پر از مایع نیوتنی/ غیر نیوتنی در حال سکون و نیز در حال حرکت، توسط لیزر تولید می‌شود، رفتار کلی حباب در مراحل رشد و فروپاشی و تشکیل میکرو جت دیسکی مایع و ضربه، بررسی می‌گردد. ارتباط بین انرژی لیزر با شرایط اولیه حباب و همین طور میزان ضربه میکرو جت دیسکی به دیواره استوانه بیان می‌شود. نشان داده می‌شود که در مرکز استوانه‌ای به قطر 1mm، انرژی لیزر 2mJ با ایجاد ناحیه کانونی به شعاع 0.06mm، منجر به تولید حبابی با شعاع اولیه 0.15mm و فشار اولیه 50MPa می‌گردد که پس از ، در فاصله 99 درصدی از مرکز استوانه، ضربه چکش آبی به میزان 3.7MPa را ایجاد می‌نماید. در ادامه، شبیه‌سازی رفتار حباب داخل خون با سه مدل متداول Casson، Bird-Carreau و Herschel-Bulkley بررسی شده و شرایط اولیه حباب جهت اعمال ضربه مؤثر به دیواره، به گونه‌ای که موجب اضمحلال ساختار رگ نگردد، برای قطر متداول رگ بیان می‌گردد.در رویکرد دوم، با استفاده از روش معادله انتگرال‌هاي مرزي با تقارن محوري، تكامل حباب به صورت عددي شبيه سازي مي‌شود. در این روش، پتانسيل سرعت و مشتق آن در مرز حباب و نيز مرز الاستيك استوانه به دست آمده، و پس از آن موقعيت جديد مرز حباب و نيز ديواره در گام زماني تعیین می‌گردد. براي مدلسازي الاستيسيته ديواره، می‌توان استوانه را الاستیک فرض نمود و هم آن را به صورت استوانه صلب با پشتبند فنری در نظر گرفت. مشاهده می‌شود با افزایش الاستیسیته دیواره داخلی استوانه، سرعت نوک میکروجت دیسکی مایع کاهش و عمر حباب افزایش می‌یابد. بنابراین، با افزایش سن در افراد که با افزایش صلبیت رگ همراه است، میکروجت دیسکی مایع به دلیل سرعت بیشتر، ضربه شدیدتری بر دیواره استوانه وارد خواهد نمود و از این رو می‌بایست در تولید حباب کاویتاسیونی، این موضوع مد نظر قرار گیرد.

Text of Note

AbstractThis thesis numerically investigates the hydrodynamic behavior of a single laser-induced cavitation bubble in a rigid/elastic cylinder. The main focus of the present research is the numerical computation of liquid disc microjet impact on the cylinder wall due to the growth and collapse of a laser-induced bubble. This study is aimed at benefiting from cavitation in numerous industrial and medical applications, such as modeling the removal of calcified matter in coronary arteries. The investigation is carried out using two approaches: (a) an approach involving the Navier-Stokes equations as the relationships governing the fluid, using the open-source OpenFOAM software, and assuming a rigid cylinder wall, and (b) an approach based on the potential flow theory, using Fortran programming, and assuming an elastic cylinder wall.The first approach begins with modeling the behavior of a single laser-induced bubble in an infinite medium (water) to validate the OpenFOAM code using analytical solutions of bubble growth in infinite media, such as the Gilmore model, and experimental results. The ability to simulate common non-Newtonian liquids, nonlinear liquid-phase compressibility effects, and the co-volume effect of fluid molecules inside the (air) bubble was added to the main OpenFOAM solver in order to improve the accuracy of the OpenFOAM code in solving the problem under study. Subsequently, studies in which a single bubble was produced by laser under various center/off-center initial conditions in cylinders with different orientations with respect to the horizon, filled with Newtonian/non-Newtonian stationary/moving liquids are reviewed. Moreover, the overall behavior of the bubble during growth and collapse and the formation of liquid disc microjet and impact are examined. The relationships between laser energy and bubble initial conditions and the disc microjet impact exerted on the cylinder wall are extracted. It is shown that in the center of a cylinder with a diameter of 1 mm, laser energy of 2 mJ by creating a focal area with a radius of 0.06 mm, leads to the production of a bubble with an initial radius of 0.15 mm and a pressure of 50 MPa, which after 52.7 microseconds and at a distance of 99% from the center of the cylinder creates a water hammer impact of 3.7 MPa. Next, the behavior of the bubble inside blood is simulated using three common models, namely Casson, Bird-Carreau, and Herschel-Bulkley, and the optimal bubble initial conditions for effective impact on the wall without destruction of artery tissue are derived.In the second approach, bubble evolution is numerically simulated via the axisymmetric boundary integral method. In the simulation, the velocity potential and its derivative are obtained at the bubble boundary and the elastic cylinder boundary, and the new positions of the bubble and wall boundaries are determined at specific time steps. In order to model wall elasticity, the wall could be assumed to be an elastic plate. This plate could also be modeled as rigid with a spring backing.. Furthermore, it is demonstrated that the bubble dynamics are influenced by the ratio of the cylinder radius to the maximum bubble radius and the properties of the elastic coating. It can be seen that with the increase in the elasticity of the inner wall of the cylinder, the speed of the tip of the liquid disk microjet decreases and the life of the bubble increases. Therefore, with the increase in age in people, which is associated with an increase in vessel stiffness, the liquid disk microjet will hit the cylinder wall more strongly due to its higher speed, and therefore, this should be taken into account in the production of cavitation bubbles.

Variant Title

Numerical Investigation on the Hydrodynamics Behavior of a Liquid Disk Jet in a Vertical Elastic Cylinder

Entry Element

حریری،‏

Part of Name Other than Entry Element

‏ امیرحسین

Relator Code

تهیه کننده

Entry Element

شروانی تبار،‏

Entry Element

پرویزی،

Part of Name Other than Entry Element

‏محمد تقی

Part of Name Other than Entry Element

‏ رضایت

Dates

استاد راهنما

Dates

استاد مشاور

Entry Element

تبریز