01.06.2025
Stability analysis of a viscoelastic liquid in a channel flow with uniform wall suction/blowing
verfasst von: Mustapha Lamine, Ahmed Hifdi
Erschienen in: Journal of Engineering Mathematics | Ausgabe 1/2025
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Abstract
Dieser Artikel stellt eine gründliche Untersuchung der Stabilität viskoelastischer Flüssigkeiten in Kanalströmungen mit gleichmäßigem Wandsaugen / -blasen dar, ein Thema, das von erheblichem Interesse für verschiedene technische und wissenschaftliche Disziplinen ist. Die Studie baut auf früheren Forschungsergebnissen auf, indem sie die kombinierten Auswirkungen von Querstrom und Fluideelastizität auf die Fließstabilität anhand eines Fluidmodells zweiter Klasse untersucht, das die viskoelastischen Eigenschaften berücksichtigt. Die Forschungsergebnisse zeigen, wie die Interaktion zwischen Cross-Flow und Elastizität zu komplexen Stabilitätsverhalten führen kann, einschließlich der Entstehung bikritischer Zustände, in denen mehrere Instabilitätsmodi nebeneinander bestehen. Der Artikel enthält eine detaillierte Analyse der modifizierten Orr-Sommerfeld-Gleichung, die sowohl Cross-Flow als auch viskoelastische Terme umfasst, und verwendet fortgeschrittene numerische Methoden, um das Stabilitäts-Eigenwertproblem zu lösen. Die Ergebnisse zeigen, dass Flüssigkeitselastizität den Fluss entweder stabilisieren oder destabilisieren kann, abhängig von der Querstromrate und der Elastizitätszahl. Die Studie untersucht auch die Auswirkungen dieser Faktoren auf die Geschwindigkeitsprofile, das Eigenspektrum und die Phasengeschwindigkeit und bietet ein umfassendes Verständnis der zugrunde liegenden Mechanismen. Die Ergebnisse haben wichtige Auswirkungen auf praktische Anwendungen in der Biomedizinischen Technik, der Umwelttechnik und in Filtrationssystemen, wo die Stabilität viskoelastischer Flüssigkeiten unter Querstrombedingungen von entscheidender Bedeutung ist.
KI-Generiert
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Abstract
This paper investigates the linear stability of a pressure-driven plane Poiseuille flow of a viscoelastic second-grade fluid under the influence of uniform transverse cross-flow through porous channel walls. The second-grade fluid model accounts for non-Newtonian effects through the inclusion of nonlinear normal stresses represented by the first and second Rivlin–Ericksen tensors, under the thermodynamically consistent constraints. An exact analytical solution for the base flow is derived and shown to depend sensitively on the elasticity number, E and the cross-flow Reynolds number, Rc, leading to asymmetric velocity profiles with steep gradients near the suction boundary. Two-dimensional disturbances are introduced into the governing equations, leading to a modified Orr–Sommerfeld equation that incorporates both viscoelastic and cross-flow effects. The resulting eigenvalue problem is solved numerically using Chebyshev spectral collocation. Numerical results reveal that the combined effect of elasticity and cross-flow alters the growth rate, phase velocity, and spatial structure of disturbances, and leads to shifts in the critical Reynolds number and dominant mode type. This effect gives rise to nontrivial mode interactions, including stabilizing and destabilizing regimes depending on parameter ranges. The flow becomes linearly unstable above a critical Reynolds number that increases with elasticity. In particular, elasticity delays the restabilization induced by cross-flow and amplifies the growth of wall modes at higher Rc. The interplay between cross-flow and elasticity significantly alters the stability boundaries and the structure of the eigenvalue spectrum which undergoes substantial rearrangement, particularly in the structure of wall and means modes.
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