On the effect of gravitational and hydrodynamic forces on particle motion in a quiescent fluid at high particle Reynolds numbers

    loading  Checking for direct PDF access through Ovid

Abstract

Trajectories of 5 and 10 mm metallic and plastic particles in a quiescent liquid during their sedimentation toward a plate were studied using experimental and numerical means, and the influence of gravity, drag, added mass, and history forces were evaluated. Variations of particle diameter and density allowed measurements at Reynolds numbers, based on the impact velocity, in the range of 1 000 to 13 000. A computer model was developed and the Lagrangian equation of particle motion was solved. The results showed that the combination of gravity, drag, and added mass forces are important for the simulation of the motion of small particles for the duration of their flight from the starting point to the wall impact, in the range of particle Reynolds numbers between 1000 and 5000. Comparison of the simulation results with the data showed that the predicted trajectories underestimated the experimental observations by about 1% to 4.3%. When the history force was included in the governing equation, however, excellent agreement between the measured and predicted particle trajectory was obtained. Experimental results for the motion of large particles showed oscillations in the time history of particle velocity when the particle Reynolds number was in the range of 3 000 to 13 000. Repeating the experiment, and averaging the data of a large number of experiments, yielded averaged curves for the particle velocity that did not show oscillatory values. In this case, good agreement between numerical and experimental data was observed. The study also shows that at high particle Reynolds numbers, the effect of the history force becomes negligibly small.PACS No.: 47.55kf

Nous étudions expérimentalement et numériquement les trajectoires de particules de plastique et de métal de 5 et 10 mm dans un liquide au repos pendant leur sédimentation vers une plaque et évaluons l'influence de la gravité, de la résistance hydrodynamique de la masse ajoutée et des forces de Boussinesq. Variant le diamètre et la densité des particules et mesurant la vitesse d'impact nous a permis de déterminer des valeurs du nombre de Reynolds entre 1 000 et 13 000. Nous avons développé un modèle numérique et solutionné les équations de mouvement de Lagrange. Les résultats montrent que la gravité, la résistance et la masse ajoutée ont un effet important dans la simulation du mouvement des petites particules pendant leur trajectoire entre le point de départ et l'impact sur le mur, pour un nombre de Reynolds entre 1000 et 5000. La comparaison avec les observations montre que les simulations sous-estiment les trajectoires par 1 à 4,3%. L'ajout des forces de Boussinesq permet alors aux trajectoires calculées d'être en excellent accord avec les trajectoires observées. Les expériences avec des particules plus grosses ont montré des oscillations dans l'évolutions temporelle de la vitesse, lorsque le nombre de Reynolds était entre 3 000 et 13 000. En répétant les expériences et en prenant la moyenne sur un grand nombre d'expériences nous obtenons des trajectoires moyennes sans oscillations de la vitesse. Dans ce cas, nous avons un bon accord entre les simulations et les trajectoires moyennes. L'étude montre aussi que l'effet des forces Boussinesq devient négligeable pour des nombres de Reynolds importants.[Traduit par la Rédaction]

Related Topics

    loading  Loading Related Articles