Coarsening of solid-liquid mixtures in a random acceleration field

The effects of flow induced by a random acceleration field (g-jitter) are considered in two related situations that are of interest for microgravity fluid experiments: the random motion of isolated buoyant particles, and diffusion driven coarsening of a solid-liquid mixture. We start by analyzing in detail actual accelerometer data gathered during a recent microgravity mission, and obtain the values of the parameters defining a previously introduced stochastic model of this acceleration field. The diffusive motion of a single solid particle suspended in an incompressible fluid that is subjected to such random accelerations is considered, and mean squared velocities and effective diffusion coefficients are explicitly given. We next study the flow induced by an ensemble of such particles, and show the existence of a hydrodynamically induced attraction between pairs of particles at distances large compared with their radii, and repulsion at short distances. Finally, a mean field analysis is used to estimate the effect of g-jitter on diffusion controlled coarsening of a solid-liquid mixture. Corrections to classical coarsening rates due to the induced fluid motion are calculated, and estimates are given for coarsening of Sn-rich particles in a Sn-Pb eutectic fluid, an experiment to be conducted in microgravity in the near future.

Diffusion of passive scalars under stochastic convection

The diffusion of passive scalars convected by turbulent flows is addressed here. A practical procedure to obtain stochastic velocity fields with well¿defined energy spectrum functions is also presented. Analytical results are derived, based on the use of stochastic differential equations, where the basic hypothesis involved refers to a rapidly decaying turbulence. These predictions are favorable compared with direct computer simulations of stochastic differential equations containing multiplicative space¿time correlated noise.

Internal and external fluctuations around nonequilibrium steady states in one-dimensional heat-conduction problems

Thermal fluctuations around inhomogeneous nonequilibrium steady states of one-dimensional rigid heat conductors are analyzed in the framework of generalized fluctuating hydrodynamics. The effect of an external source of noise is also considered. External fluctuations come from temperature and position fluctuations of the source. Contributions of each kind of noise to the temperature correlation function are computed and compared through the study of its asymptotic behavior.

Finite-size effects in nonequilibrium correlation functions

We have shown that finite-size effects in the correlation functions away from equilibrium may be introduced through dimensionless numbers: the Nusselt numbers, accounting for both the nature of the boundaries and the size of the system. From an analysis based on fluctuating hydrodynamics, we conclude that the mean-square fluctuations satisfy scaling laws, since they depend only on the dimensionless numbers in addition to reduced variables. We focus on the case of diffusion modes and describe some physical situations in which finite-size effects may be relevant.

Long-range correlations in diffusive systems away from equilibrium

We study the dynamics of density fluctuations in purely diffusive systems away from equilibrium. Under some conditions the static density correlation function becomes long ranged. We then analyze this behavior in the framework of nonequilibrium fluctuating hydrodynamics.

Diffusion of passive scalars under stochastic convection

The diffusion of passive scalars convected by turbulent flows is addressed here. A practical procedure to obtain stochastic velocity fields with well¿defined energy spectrum functions is also presented. Analytical results are derived, based on the use of stochastic differential equations, where the basic hypothesis involved refers to a rapidly decaying turbulence. These predictions are favorable compared with direct computer simulations of stochastic differential equations containing multiplicative space¿time correlated noise.

Theory of Wetting-Induced Fluid Entrainment by Advancing Contact Lines on Dry Surfaces

We report on the onset of fluid entrainment when a contact line is forced to advance over a dry solid of arbitrary wettability. We show that entrainment occurs at a critical advancing speed beyond which the balance between capillary, viscous, and contact-line forces sustaining the shape of the interface is no longer satisfied. Wetting couples to the hydrodynamics by setting both the morphology of the interface at small scales and the viscous friction of the front. We find that the critical deformation that the interface can sustain is controlled by the friction at the contact line and the viscosity contrast between the displacing and displaced fluids, leading to a rich variety of wetting-entrainment regimes. We discuss the potential use of our theory to measure contact-line forces using atomic force microscopy and to study entrainment under microfluidic conditions exploiting colloid-polymer fluids of ultralow surface tension.

Spontaneous aggregation and global polar ordering in squirmer suspensions

We have developed numerical simulations of three dimensional suspensions of active particles to characterize the capabilities of the hydrodynamic stresses induced by active swimmers to promote global order and emergent structures in active suspensions. We have considered squirmer suspensions embedded in a fluid modeled under a Lattice Boltzmann scheme. We have found that active stresses play a central role to decorrelate the collective motion of squirmers and that contractile squirmers develop significant aggregates.

Implementation of population balances in simulation of gas-liquid reactors using a CFD-PBM coupled approach

In bubbly flow simulations, bubble size distribution is an important factor in determination of hydrodynamics. Beside hydrodynamics, it is crucial in the prediction of interfacial area available for mass transfer and in the prediction of reaction rate in gas-liquid reactors such as bubble columns. Solution of population balance equations is a method which can help to model the size distribution by considering continuous bubble coalescence and breakage. Therefore, in Computational Fluid Dynamic simulations it is necessary to couple CFD and Population Balance Model (CFD-PBM) to get reliable distribution. In the current work a CFD-PBM coupled model is implemented as FORTRAN subroutines in ANSYS CFX 10 and it has been tested for bubbly flow. This model uses the idea of Multi Phase Multi Size Group approach which was previously presented by Sha et al. (2006) [18]. The current CFD-PBM coupled method considers inhomogeneous flow field for different bubble size groups in the Eulerian multi-dispersed phase systems. Considering different velocity field for bubbles can give the advantageof more accurate solution of hydrodynamics. It is also an improved method for prediction of bubble size distribution in multiphase flow compared to available commercial packages.

Kuplivan leijukerroksen poltto- ja lämpötekninen tarkastelu

Työn tavoitteena oli luoda menetelmä leijukerroskattilan petin lämpötilojen ja toiminta-alueen arvioimiseksi annetuilla lähtötiedoilla. Toimintatapana oli tutkia polttoaineen ominaisuuksien ja kattilan geometrian vaikutuksia petin energiataseeseen ja tätä kautta petin lämpötilaan kattilan ajotapa huomioiden. Työn teoriaosassa esitellään aluksi biopolttoaineiden ominaisuuksia ja leijukerroskattilan toimintaa petin toimintaympäristön selvittämiseksi. Teoriaosan lopussa käsitellään perusteellisesti petin hydrodynamiikkaa ja reaktiokinettikkaa sekä petin alueen mekaanista mitoitusta. Lisäksi polttoaineen syöttötapa ja palaminen petissä tuodaan esille. Tutkimusosassa selvitetään petin energiatasemallin määrittämistä teoriaan ja diplomityön aikana eri kattiloilla suoritettuihin mittauksiin perustuen. Mittauksista on erillinen selvitys seitsemännessä kappaleessa. Lopuksi kuvaillaan petin energiatasetta mallintavan menetelmän toimintaa sekä siihen syötettäviä lähtötietoja. Tuloksena on saatu suppealla alueella toimiva laajennettavissa oleva petin energiataseen malli. Menetelmän testaamiseen käytetään mittaustietoa kahdelta kattilalta, joita ei olla käytetty petin energiatasemallin virityksessä.

Measurement of a Structured Backflow in an Open Small Channel Induced by Surface-Tension Gradients

We present experiments in which the laterally confined flow of a surfactant film driven by controlled surface tension gradients causes the subtended liquid layer to self-organize into an inner upstream microduct surrounded by the downstream flow. The anomalous interfacial flow profiles and the concomitant backflow are a result of the feedback between two-dimensional and three-dimensional microfluidics realized during flow in open microchannels. Bulk and surface particle image velocimetry data combined with an interfacial hydrodynamics model explain the dependence of the observed phenomena on channel geometry.

Rheology of high solids surface size starches

Tämän diplomityön tarkoituksena oli tutkia pintaliimatärkkelysten reologista käyttäytymistä korkeissa kuiva-ainepitoisuuksissa. Tarve työn suorittamiselle syntyi kun tutkittiin pintaliimausta filminsiirtopuristimella tavallista korkeammissa kuiva-ainepitoisuuksissa, sileän sauvan ollessa applikointilaitteena. Koska applikointi sileällä sauvalla tapahtuu hydrodynaamisten periaatteiden mukaisesti, sen käyttö edellyttää pintaliimojen reologisten ominaisuuksien tarkkaa tuntemusta ja hallintaa.Kiinnostuksen kohteena olevat ominaisuudet olivat tärkkelysten kuiva-ainepitoisuuden (8 – 30 %) vaikutus viskositeettiin eri lämpötiloissa (20, 30, 40 ja 50 ºC), leikkausnopeus alueella 1 s-1 - 700 000 s-1. Myös tärkkelysten myötörajat määritettiin tutkimuksessa. Viskositeetti eri leikkausnopeusalueilla mitattiin seuraavilla laitteilla: Bohlin VOR (matalat leikkausnopeudet ja myötöraja) ja Hercules HiShear (keskitason leikkausnopeudet) reometrit sekä Eklund kapillaariviskometri (korkeat leikkausno-peudet). Analysoidut tärkkelykset olivat kaksi anionista matalaviskoottista peruna (tärkkelys A) ja ohra (tärkkelys C) tärkkelystä, sekä yksi kationinen korkeaviskoottinen peruna tärkkelys (tärkkelys B). Tutkittujen tärkkelysten Brookfield viskositeetit (100 rpm) olivat (10 % liuos, 60 °C:ssa) tärkkelys A ja C: 25 ± 5 mPas ja tärkkelys B: 100 ± 20 mPas.Tärkkelysliuosten kuiva-ainepitoisuuden noustessa muuttui virtauskäyttäytyminen Newtoniaalisesta leikkausohenevaksi. Leikkausoheneva käyttäytyminen oli voimakkainta tärkkelys B:n kohdalla. Viskositeetti – lämpötila riippuvuus korkeissa leikkausnopeuksissa (esim. 500 000 s-1) oli vähäisempää, mitä oli oletettavissa Brookfield viskositeettiarvojen perusteella. Kaikki tarkkelykset osoittautuivat tiksotrooppisiksi, myös tiksotrooppisuus lisääntyi kuiva-ainepitoisuuden kasvaessa. Tärkkelysten myötörajat osoittautuivat odottamattoman alhaisiksi, kuitenkin varsinkin tärkkelys B:n myötörajat olivat selvästi riippuvaisia lämpötilasta ja kuiva-ainepitoisuudesta. Tutkittujen tärkkelysten virtauskäyttäytyminen oli kirjallisuudessa esitetyn kaltaista. Tärkkelysmolekyylien ketjun pituus oli tärkein tärkkelyksen reologisia ominaisuuksia määrittävä tekijä; mitä matalampi on tärkkelyksen molekyylimassa, sitä matalammat ovat viskositeetti ja myötöraja. Pintaliimauksessa tärkkelysmolekyylien ketjunpituudella on suuri vaikutus ajettavuuteen ja lopputuotteen ominaisuuksiin. Haasteellista pintaliimatärkkelyksen valinnassa on sellaisen yhdistelmän löytäminen, jossa sopivan reologisen käyttäytymisen omaava tärkkelys ja pintaliimatulle paperille tai kartongille asetetut vaatimukset kohtaavat.

From Full stopping to transparency in a holographic model of heavy ion collisions

We numerically simulate planar shock wave collisions in anti-de Sitter space as a model for heavy ion collisions of large nuclei. We uncover a crossover between two different dynamical regimes as a function of the collision energy. At low energies the shocks first stop and then explode in a manner approximately described by hydrodynamics, in close similarity with the Landau model. At high energies the receding fragments move outwards at the speed of light, with a region of negative energy density and negative longitudinal pressure trailing behind them. The rapidity distribution of the energy density at late times around midrapidity is not approximately boost invariant but Gaussian, albeit with a width that increases with the collision energy.

Kiertoleijukattilan tulipesän lämmönsiirtoprofiilien määritys ja mallinnus

Tämä diplomityö on osa projektia, joka tähtää ylikriittisellä painealueella toimivan läpivirtaustekniikkaan perustuvan kiertoleijukattilan toteuttamiseen. Diplomityössä määritetään mittausten perusteella vaaka- ja pystysuuntaisia lämmönsiirtoprofiileja kaupallisen kiertoleijukattilan tulipesässä. Lisäksi samaisen kattilan tulipesä mallinnetaan ja mallin parametrejä säädetään niin, että mallin tulokset saadaan vastaamaan mitattuja tuloksia mahdollisimman hyvin. Työn tavoitteena on antaa lisätietoa tulipesässä vapautuvan lämpötehon jakautumisesta tulipesän eri osien kesken. Diplomityön kirjallisuuskatsauksessa käsitellään kiertoleijukattilan tulipesän perusilmiöitä kuten leijutusta, lämmönsiirtoa, hydrodynamiikkaa ja palamista sekä tutustutaan muutamiin tulipesämalleihin. Lisäksi tarkastellaan ylikriittisen läpivirtauskattilan tarjoamia etuja perinteisiin kattilaratkaisuihin nähden. Diplomityössä on myös esitelty työhön liittyvä mittausprojekti.

Mittausmenetelmien kehittaminen kuplakolonnille

Kuplakolonnireaktoreiden CFD-mallinnus on talla hetkella voimakkaasti kehittyva tutkimusalue. Kaksifaasivirtauksen luotettava simulointi ja mallintaminen on haastavaa kuplakolonnireaktorissa tapahtuvien ilmioiden monimutkaisuuden vuoksi. Reaktorin kayttaytymiseen vaikuttavat tekijat, kuten kolonnin hydrodynamiikka ja aineensiirto, tulee tuntea hyvin ennen mallien tekoa. Tassa tyossa on kokeellisesti tutkittu erilaisten mittausmenetelmien soveltuvuutta kuplakolonnin hydrodynamiikan tutkimiseen. Mittausmenetelmissa on keskitytty erityisesti CFD-mallien vaatimiin paikallisiin mittauksiin. Lisaksi tyossa on arvioitu mittausmenetelmien soveltuvuutta j a luotettavuutta CFD-mallien validointiin. Tyon kirjallisuusosassa on perehdytty kuplakolonnireaktorin hydrodynaamiseen kayttaytymiseen ja siihen vaikuttaviin tekijoihin. Naita ovat mm. reaktorityypit, kaasun dispergointi, virtaustyypit ja -alueet, kaasun tilavuusosuus, kaasukuplan koko ja kuplan nousunopeus. Mittauksia tehtiin kahdessa erikokoisessa kuplakolonnissa, joista pienemman halkaisija oli 0,078 m ja suuremman 0,182 m. Molempien kolonnien nestepinnan korkeus oli 4,62 m. Mittaukset tehtiin vesijohtovedella ja epaorgaanisella prosessiliuoksella. Hydrodynaamisista ominaisuuksista mitattiin kaasun tilavuusosuus, kaasukuplan koko seka kaasukuplan nousunopeus. Kaasun tilavuusosuusmittaukset tehtiin paaasiassa paine-eromittauksella ja joissakin tapauksissa pinnanmittausmenetelmalla. Kuplakoko- ja kuplan nousunopeusmittaukset tehtiin suumopeusvideokameralla ja laser Doppler-anemometrilla. Mittauksissa kaytettiin kahdeksaa erilaista kaasunjakolaitetta, joilla selvitettiin kaasunjakolaitteen ominaisuuksien vaikutusta kolonnin hydrodynamiikkaan. Tuloksista havaittiin, etta nestefaasin ominaisuuksilla oli suuri vaikutus kolonnin hydrodynaamiseen kayttaytymiseen. En kaasunjakolaitteilla vesijohtovedella mitatut hydrodynaamiset ominaisuudet eivat poikenneet paljoa toisistaan, kun taas prosessiliuoksella kaasunjakolaitteiden valille saatiin huomattavat erot. Mittausmenetelmista laser Doppler-anemometri ei kaytettavissa olleella optiikalla soveltunut kaasukuplien mittaamiseen. Kuplat olivat menetelmalle liian suuria. Suumopeusvideokamerallaja paine-eromittauksella paastiin hyviin tuloksiin.