Simulations of the Dynamics of Fibre Suspension Flows

A new model for simulating non-Brownian flexible fibres suspended in a Newtonian fluid has been developed. Special attention has been given to include realistic flow conditions found in the industrial papermaking process in the key features of the model; it is the intention of the author to employ t...

Full description

Bibliographic Details
Main Author: Lindström, Stefan B.
Format: Others
Language:English
Published: Mittuniversitetet, Institutionen för naturvetenskap 2007
Subjects:
Online Access:http://urn.kb.se/resolve?urn=urn:nbn:se:miun:diva-53
http://nbn-resolving.de/urn:isbn:978-91-85317-62-2
id ndltd-UPSALLA1-oai-DiVA.org-miun-53
record_format oai_dc
spelling ndltd-UPSALLA1-oai-DiVA.org-miun-532013-01-08T13:10:22ZSimulations of the Dynamics of Fibre Suspension FlowsengLindström, Stefan B.Mittuniversitetet, Institutionen för naturvetenskapSundsvall : Mid Sweden University2007fibrefibre suspensionsimulationpaperpapermakingformingfibre orientation distributionfibre flexibilityviscosityfirst normal stress differencefluid flowsimple shear flowtwo-way couplingthree-dimensionalChemical engineeringKemiteknikEngineering physicsTeknisk fysikA new model for simulating non-Brownian flexible fibres suspended in a Newtonian fluid has been developed. Special attention has been given to include realistic flow conditions found in the industrial papermaking process in the key features of the model; it is the intention of the author to employ the model in simulations of the forming section of the paper machine in future studies. The model considers inert fibres of various shapes and finite stiffness, interacting with each other through normal, frictional and lubrication forces, and with the surrounding fluid medium through hydrodynamic forces. Fibre-fluid interactions in the non-creeping flow regime are taken into account, and the two-way coupling between the solids and the fluid phase is included by enforcing momentum conservation between phases. The incompressible three-dimensional Navier-Stokes equations are employed to model the motion of the fluid medium. The validity of the model has been tested by comparing simulation results with experimental data from the literature. It was demonstrated that the model predicts the motion of isolated fibres in shear flow over a wide range of fibre flexibilities. It was also shown that the model predicts details of the orientation distribution of multiple straight, rigid fibres in a sheared suspension. Model predictions of the viscosity and first normal stress difference were in good agreement with experimental data found in the literature. Since the model is based solely on first-principles physics, quantitative predictions could be made without any parameter fitting. En ny modell för simulering av rörelserna hos icke-Brownska böjliga fibrer dispergerade i en Newtonsk vätska har utvecklats. Eftersom det är författarens avsikt att modellen skall kunna tillämpas vid simulering av arkformning under de förhållanden som råder i en modern pappersmaskin, har särskilt omsorg givits till att inkludera motsvarande flödesvillkor i modellens giltighetsområde. Modellen hanterar fibrer av varierande form, massa och styvhet, som växelverkar sinsemellan via normal-, friktions- och smörjkrafter. Deras växelverkan med den omgivande vätskan sker via hydrodynamiska krafter vid finita Reynolds-tal. Den så kallade tvåvägskopplingen mellan fibrerna och vätskefasen har tagits i beaktande genom att kräva att rörelsemängden bevaras vid interaktionen mellan faserna. Vidare har Navier-Stokes ekvationer för inkompressibla vätskor använts för att beskriva mediets rörelser. Modellens giltighet har undersökts genom att jämföra resultat från simuleringar med experimentella data från litteraturen. Det har påvisats att modellen förutsäger rörelsen hos ensamma fibrer i ett skjuvflöde, för vitt skilda fiberflexibiliteter. Det visades också att modellen förutsäger detaljer hos fiberorienteringsdistributionen i suspensioner utsatta för skjuvflöde. Det kunde också konstateras att modellens förutsägelser av fibersuspensioners viskositet och första normalspänningsdifferens under skjuvning väl överensstämde med experimentella data i litteraturen. Kvantitativa förutsägelser har kunnat göras utan någon parameteranpassning, då modellen bygger uteslutande på väletablerade fysikaliska samband inom klassisk mekanik och strömningslära. Licentiate thesis, comprehensive summaryinfo:eu-repo/semantics/masterThesistexthttp://urn.kb.se/resolve?urn=urn:nbn:se:miun:diva-53urn:isbn:978-91-85317-62-2Local 5137Mid Sweden University licentiate thesis, 1652-8948 ; 25application/pdfinfo:eu-repo/semantics/openAccess
collection NDLTD
language English
format Others
sources NDLTD
topic fibre
fibre suspension
simulation
paper
papermaking
forming
fibre orientation distribution
fibre flexibility
viscosity
first normal stress difference
fluid flow
simple shear flow
two-way coupling
three-dimensional
Chemical engineering
Kemiteknik
Engineering physics
Teknisk fysik
spellingShingle fibre
fibre suspension
simulation
paper
papermaking
forming
fibre orientation distribution
fibre flexibility
viscosity
first normal stress difference
fluid flow
simple shear flow
two-way coupling
three-dimensional
Chemical engineering
Kemiteknik
Engineering physics
Teknisk fysik
Lindström, Stefan B.
Simulations of the Dynamics of Fibre Suspension Flows
description A new model for simulating non-Brownian flexible fibres suspended in a Newtonian fluid has been developed. Special attention has been given to include realistic flow conditions found in the industrial papermaking process in the key features of the model; it is the intention of the author to employ the model in simulations of the forming section of the paper machine in future studies. The model considers inert fibres of various shapes and finite stiffness, interacting with each other through normal, frictional and lubrication forces, and with the surrounding fluid medium through hydrodynamic forces. Fibre-fluid interactions in the non-creeping flow regime are taken into account, and the two-way coupling between the solids and the fluid phase is included by enforcing momentum conservation between phases. The incompressible three-dimensional Navier-Stokes equations are employed to model the motion of the fluid medium. The validity of the model has been tested by comparing simulation results with experimental data from the literature. It was demonstrated that the model predicts the motion of isolated fibres in shear flow over a wide range of fibre flexibilities. It was also shown that the model predicts details of the orientation distribution of multiple straight, rigid fibres in a sheared suspension. Model predictions of the viscosity and first normal stress difference were in good agreement with experimental data found in the literature. Since the model is based solely on first-principles physics, quantitative predictions could be made without any parameter fitting. === En ny modell för simulering av rörelserna hos icke-Brownska böjliga fibrer dispergerade i en Newtonsk vätska har utvecklats. Eftersom det är författarens avsikt att modellen skall kunna tillämpas vid simulering av arkformning under de förhållanden som råder i en modern pappersmaskin, har särskilt omsorg givits till att inkludera motsvarande flödesvillkor i modellens giltighetsområde. Modellen hanterar fibrer av varierande form, massa och styvhet, som växelverkar sinsemellan via normal-, friktions- och smörjkrafter. Deras växelverkan med den omgivande vätskan sker via hydrodynamiska krafter vid finita Reynolds-tal. Den så kallade tvåvägskopplingen mellan fibrerna och vätskefasen har tagits i beaktande genom att kräva att rörelsemängden bevaras vid interaktionen mellan faserna. Vidare har Navier-Stokes ekvationer för inkompressibla vätskor använts för att beskriva mediets rörelser. Modellens giltighet har undersökts genom att jämföra resultat från simuleringar med experimentella data från litteraturen. Det har påvisats att modellen förutsäger rörelsen hos ensamma fibrer i ett skjuvflöde, för vitt skilda fiberflexibiliteter. Det visades också att modellen förutsäger detaljer hos fiberorienteringsdistributionen i suspensioner utsatta för skjuvflöde. Det kunde också konstateras att modellens förutsägelser av fibersuspensioners viskositet och första normalspänningsdifferens under skjuvning väl överensstämde med experimentella data i litteraturen. Kvantitativa förutsägelser har kunnat göras utan någon parameteranpassning, då modellen bygger uteslutande på väletablerade fysikaliska samband inom klassisk mekanik och strömningslära.
author Lindström, Stefan B.
author_facet Lindström, Stefan B.
author_sort Lindström, Stefan B.
title Simulations of the Dynamics of Fibre Suspension Flows
title_short Simulations of the Dynamics of Fibre Suspension Flows
title_full Simulations of the Dynamics of Fibre Suspension Flows
title_fullStr Simulations of the Dynamics of Fibre Suspension Flows
title_full_unstemmed Simulations of the Dynamics of Fibre Suspension Flows
title_sort simulations of the dynamics of fibre suspension flows
publisher Mittuniversitetet, Institutionen för naturvetenskap
publishDate 2007
url http://urn.kb.se/resolve?urn=urn:nbn:se:miun:diva-53
http://nbn-resolving.de/urn:isbn:978-91-85317-62-2
work_keys_str_mv AT lindstromstefanb simulationsofthedynamicsoffibresuspensionflows
_version_ 1716510709889630208