Inertia Effects on the Flow of Bingham Plastics Through Sudden Contractions in a Pipe

Authors

  • George C. Vradis,

    Corresponding author
    1. Department of Mechanical, Aerospace, and Manufacturing Engineering, Polytechnic University, Six Metrotech Center, Brooklyn, New York 11201, USA
    • Department of Mechanical, Aerospace, and Manufacturing Engineering, Polytechnic University, Six Metrotech Center, Brooklyn, New York 11201, USA
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  • Khaled J. Hammad

    1. Department of Mechanical, Aerospace, and Manufacturing Engineering, Polytechnic University, Six Metrotech Center, Brooklyn, New York 11201, USA
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Abstract

The present numerical study concentrates on the effects of moderate and high Reynolds numbers on the laminar flow of a non-Newtonian rigid viscoplastic (Bingham) fluid through a sudden contraction in a pipe. The flow is assumed to be steady, incompressible, and isothermal. Results are presented for a wide range of the governing Reynolds and yield numbers and the significant effects of these two parameters both on the integral and local kinematic properties of the flow field are established. Low yield numbers result in the disappearance of the recirculating flow region at the corner replacing it with a region of very low rates of deformation. The evolution of the centerline velocity in the vicinity of the contraction plane is shown to be independent of the yield number and dependent on the Reynolds number, while the concavities in the streamwise velocity profiles appearing at high Reynolds numbers are independent of the yield number. The pressure losses through the contraction increase with yield number with the effect being more pronounced at lower Reynolds numbers.

Abstract

La présente étude numérique porte sur les effets de nombres de Reynolds modérés ou élevés sur l'écoulement laminaire d'un fluide viscoplastique rigide non newtonien (Bingham) à travers une contraction soudaine dans un tube. On suppose l'écoulement stationnaire, incompressible et isotherme. Des résultats sont présentés pour un large éventail des nombres de Reynolds et de nombre de seuil et les effets significatifs de ces deux paramètres sur les propriétés cinématiques locales et intégrales du champ d'écoulement sont démontrés. De faibles nombres de seuil entraǐnent la disparition de la région d'écoulement en recirculation dans le coin où elle est remplacée par une région à très faibles vitesses de déformation. On montre que l'évolution de la vitesse le long de l'axe central à proximité du plan de contraction est indépendante du nombre de seuil et dépendante du nombre de Reynolds, tandis que les concavités des profils de vitesse dans la direction du courant apparaissant à des nombres de Reynolds élevés sont indépendantes du nombre de seuil. Les pertes de charge à travers la contraction augmentent avec le nombre de seuil, l'effet étant plus prononcé aux petits nombres de Reynolds.

Ancillary