Numerical simulation and prediction of non-Newtonian fluid flows
2026 (English)Doctoral thesis, comprehensive summary (Other academic)
Abstract [en]
Non-Newtonian fluids such as viscoelastic and elastoviscoplastic (EVP) materials are ubiquitous in industrial and environmental flows and exhibit complex rheological behavior that alters flow topology across multiple scales in comparison to Newtonian liquids. Their dynamics are governed by additional elastic and plastic stresses, which crucially affect the regimes of interfacial processes and turbulent flows. This thesis investigates how elasticity and yield stress jointly influence multiphase and canonical wall-bounded flows, and how data-driven methods can be used to infer experimentally inaccessible stress fields. The study is based on direct numerical simulations (DNSs) of viscoelastic and EVP flows, along with baseline convolutional neural networks for non-intrusive sensing in turbulent configurations.
We first investigate the effects of complex rheology on the dynamics of an interface in an EVP material when a bubble bursts on the surface, where the driving mechanism is the capillary stress. The numerical simulation of bubble bursting uncovers how the elastic stresses and their relaxation interacts with the yield stress. The parameter space in the study is spanned by the Deborah number and plasto-capillary number. Four distinct regimes are identified, ranging from Newtonian-like jetting to yield-dominated states with limited jet formation.
Then, we examine what happens when a viscoelastic droplet of polyacrylamide solution impacts a super-hydrophobic surface at high speed. The experimental investigation reveals that, in contrast to previous studies, viscoelastic droplets may experience full rebound while Newtonian droplets do not. This happens through a balloon regime in which the impacting droplet first impales the surface and the rebounding droplet forms a thin ligament which later rebounds together with the drop, like a rubber band. The regime arises from the combined effect of substrate characteristics, liquid impalement and strong polymeric stresses that prevent ligament breakup. Using DNS, we show that such a regime is reproduced numerically, provided sufficient modeling of the contact line behavior. Using a simplified theoretical framework we propose a necessary condition for the complete droplet rebound. In the splashing regime of Newtonian fluids, viscoelastic drop impact is shown to exhibit elongated fingers. Increasing polymer concentration enhances viscous damping, reducing the number of fingers and eventually suppressing fingering instabilities while preserving complete rebound. The onset and evolution of fingering are a result of the competition between inertia--capillary--viscous terms, and a theoretical framework is shown to predict the temporal growth of the characteristic ligament length across rheological conditions.
We then turn to a chaotic flow regime, and study elastoviscoplastic channel flow at low Reynolds numbers (Re=5-500), where viscoelastic fluids display elasto-inertial turbulence ("early turbulence"). We demonstrate that the presence of yield stress does not relaminarize the flow unlike in inertial turbulence at high Reynolds numbers. Further, we show that the EVP stresses transition from net sinks to net sources of turbulent kinetic energy as elasticity of the material is increased.
Since the turbulent nature of non-Newtonian fluid flows require description of both the flow and extra stresses, where the latter is not accessible in experiments, we develop a methodology to retrieve the velocity and elastic stress fields in viscoelastic turbulent channel flows from wall measurements. We show that the introduced baseline methodology can learn highly non-linear mapping between wall information and near-wall flow and stress fields but also is limited by the accurate retrieval of small scale structures. Towards enhancing the performance of the non-intrusive sensing methodology in an experimental setting, we introduce spectrally informed loss functions which are tested in a Newtonian fluid flow configuration as a part of this thesis work and will be extended to non-Newtonian configurations. Taken together, the findings in the present thesis provide an idea of the behavior of complex fluids in different configurations, while demonstrating the potential of data-driven techniques to estimate inaccessible stress fields in non-Newtonian turbulence.
Abstract [sv]
Icke-newtonska vätskor, såsom viskoelastiska och elasto-viskoplastiska (EVP) material, är vanliga inom olika industrier och i naturen. De har komplexa flödesbeteenden som — jämfört med newtonska — vätskor — kan förändra flödet över flera skalor. Dessa vätskors dynamik styrs av ytterligare elastiska och plastiska spänningar, vilket gör att flödet kan ändra karaktär (regim) både i gränsytfenomen och i turbulenta flöden. Denna avhandling undersöker hur elasticitet och flytspänning (yield stress) tillsammans påverkar multifasflöden och kanoniska väggbundna flöden, samt hur datadrivna metoder kan användas för att uppskatta spänningsfält som inte är experimentellt åtkomliga. Studien bygger på direkta numeriska simuleringar (DNS) av viskoelastiska och EVP-flöden, i kombination med grundläggande konvolutionella neurala nätverk (CNN) för icke-intrusiv avkänning i turbulenta konfigurationer.
Vi studerar först hur komplex reologi påverkar dynamiken av den fria ytan av ett EVP-material när en luftbubbla brister på ytan i ett EVP-medium, där den drivande kraften kommer från ytspänningen. DNS av bubbelbristning avslöjar hur elastiska spänningar och deras relaxation interagerar med flytspänningen i materialet-. Parameterutrymmet i studien spänns upp av Deborah-talet och det plasto-kapillära talet. Fyra distinkta regimer identifieras, från newtonsk-liknande jetbildning till flytspänningsdominerade tillstånd med begränsad jetutveckling.
Därefter analyseras vad som händer när en viskoelastisk droppe av polyakrylamidlösning träffar en superhydrofob yta med hög hastighet. Experimenten visar att viskoelastiska droppar — i kontrast till tidigare studier — kan återstudsa fullständigt även när newtonska droppar inte gör det. Detta sker via en ballongregim, där den återstudsande droppen formar ett tunt ligament som först tränger genom ytan, och sedan lossnar tillsammans med droppen likt ett gummiband. Regimen uppstår genom samspelet mellan ytegenskaper, vätskans genomträngning och starka elastiska spänningar som motverkar ligamentets avbrott. Med DNS visar vi att denna regim kan reproduceras numeriskt, förutsatt att kontaktlinjens dynamik modelleras tillräckligt väl. Med ett förenklat teoretiskt ramverk föreslår vi dessutom ett nödvändigt villkor för fullständig droppåterstuds.
I stänkregimen (splashing) för newtonska vätskor uppvisar viskoelastiskt droppnedslag förlängda fingrar. Ökad polymerkoncentration förstärker den viskösa dämpningen, vilket minskar antalet fingrar och till slut undertrycker fingringsinstabiliteter, samtidigt som fullständig återstuds bibehålls. Fingringens uppkomst och utveckling bestäms av konkurrensen mellan tröghets-, kapillär- och viskösa bidrag, och ett teoretiskt ramverk visas kunna förutsäga den tidsmässiga tillväxten av den karakteristiska ligamentlängden över olika reologiska förhållanden.
Vi övergår till ett kaotiskt flödesregim och studerar elasto-viskoplastisk kanalströmning vid låga Reynoldstal (Re=5-500), där viskoelastiska vätskor uppvisar elasto-inertiell turbulens ("early turbulence"). Vi visar att närvaron av flytspänning inte relaminariserar flödet, till skillnad från vad som kan observeras i inertiell turbulens i höga Reynoldstal. Vi visar vidare att EVP-spänningarna övergår från att vara nettosänkor till att bli nettokällor för turbulent kinetisk energi när materialets elasticitet ökar.
Eftersom turbulent icke-newtonsk strömning kräver en beskrivning av både hastighetsfältet och de extra spänningarna — där de senare i praktiken inte är experimentellt åtkomliga-utvecklar vi en metodik för att rekonstruera hastighets- och elastiska spänningsfält i viskoelastiska turbulenta kanalflöden utifrån väggmätningar. Vi visar att den föreslagna baslinjemetodiken kan lära sig en starkt icke-linjär avbildning mellan vägginformation och väggnära flödes- och spänningsfält, men att den samtidigt begränsas av förmågan att korrekt återge småskaliga strukturer. För att förbättra prestandan hos den icke-intrusiva avkänningsmetodiken i en experimentell kontext introducerar vi spektralt informerade förlustfunktioner, som testas i en newtonsk flödeskonfiguration inom ramen för avhandlingsarbetet och därefter kommer att utvidgas till icke-newtonska konfigurationer. Sammantaget ger resultaten i avhandlingen en samlad bild av hur flytspänningsvätskor beter sig i olika konfigurationer, samtidigt som de visar potentialen hos maskininlärningsbaserade, datadrivna metoder för att uppskatta annars otillgängliga spänningsfält i icke-newtonsk turbulens.
Place, publisher, year, edition, pages
Stockholm, Sweden: KTH Royal Institute of Technology, 2026.
Series
TRITA-SCI-FOU ; 2026:01
Keywords [en]
Yield stress fluids, Elastoviscoplastic fluids, Viscoelastic fluids, Multiphase flows, Turbulent flows, Elasto-inertial turbulence, Machine learning, Non-intrusive sensing
Keywords [sv]
Flytspänningsvätskor, elasto-viskoplastiska vätskor, viskoelastiska vätskor, flerfasflöden, turbulenta flöden, elasto-inertiell turbulens, maskininlärning, icke-intrusiv avkänning
National Category
Fluid Mechanics
Research subject
Engineering Mechanics
Identifiers
URN: urn:nbn:se:kth:diva-378170ISBN: 978-91-8106-523-7 (print)OAI: oai:DiVA.org:kth-378170DiVA, id: diva2:2046375
Public defence
2026-04-10, https://kth-se.zoom.us/j/67629432660, F3 Flodis, Lindstedtsvägen 26, Stockholm, 10:00 (English)
Opponent
Supervisors
Funder
EU, European Research Council, 2019-StG-852529Swedish Research Council, 2021-04820
Note
QC260317
2026-03-172026-03-162026-04-01Bibliographically approved
List of papers