Η παρούσα Διατριβή Μεταπτυχιακού Διπλώματος Ειδίκευσης, πραγματεύεται την ανάλυση της τυρβώδους ροής σε ανοικτούς αγωγούς στον πυθμένα των οποίων ενυπάρχουν σχηματισμοί μορφής θινών (dunes). Μελετήθηκε η περίπτωση 5 θινών οι οποίες τοποθετήθηκαν στον πυθμένα ενός καναλιού βάθους d θεωρώντας μόνιμη ροή. Για την επίλυση χρησιμοποιήθηκαν οι εξισώσεις RANS, ενώ για το κλείσιμο της τύρβης χρησιμοποιήθηκαν τα μοντέλα μιας εξίσωσης Spalart-Allmaras και δύο εξισώσεων k-ε. Η διαχείριση της ελεύθερης επιφάνειας έγινε με την μέθοδο VOF, ενώ η αριθμητική επίλυση βασίστηκε στην μέθοδο των πεπερασμένων όγκων και πραγματοποιήθηκε με τον εμπορικό κώδικα FLUENT 6.1.2. Για την ροή στον ανοικτό αγωγό, στον πυθμένα του οποίου ενυπήρχαν οι σχηματισμοί, θεωρήθηκε αριθμός Reynolds , κλίση πυθμένα και συντελεστή Manning , ο οποίος αντιστοιχεί σε ισοδύναμο ύψος τραχύτητας τοιχωμάτων . Προκειμένου να επαληθευθεί η ακρίβεια της αριθμητικής μεθόδου, επιλύθηκε η περίπτωση του επίπεδου πυθμένα και τα αποτελέσματα συγκρίθηκαν με γνωστά πειραματικά αποτελέσματα καθώς και αποτελέσματα τα οποία προέκυψαν από την μονοδιάστατη ανάλυση της ροής πάνω από επίπεδο πυθμένα. Τα αποτελέσματα βρέθηκαν σε καλή συμφωνία, κυρίως για την κατανομή της ταχύτητας, ενώ για την τύρβη υπήρχε πολύ καλή συμφωνία κυρίως πλησίον του πυθμένα. Για το πρόβλημα των θινών εξετάσθηκαν: (α) τρεις περιπτώσεις με σταθερό άνοιγμα θίνης προς βάθος ροής και διαφορετικά ύψη θινών , 0.25 και (β) τρεις περιπτώσεις με σταθερή αναλογία ανοίγματος προς ύψος και ύψη θινών όπως στην περίπτωση (α). Η ανάλυση έδειξε ότι το μέσο προφίλ της ελεύθερης επιφάνειας μειώνεται στην διεύθυνση της ροής, ενώ πάνω από κάθε θίνη το πλάτος της ανύψωσης της ελεύθερης επιφάνειας αυξάνει με την αύξηση του ύψους και του ανοίγματος των θινών. Η κατανομή των διατμητικών τάσεων παρουσιάζει κυματοειδή μορφή υπεράνω των θινών και αυξάνει αυξανομένου του ύψους τους και με την μείωση του ανοίγματός τους. Πίσω από κάθε θίνη δημιουργείται θύλακας ανακυκλοφορίας της ροής και ο λόγος της απόστασης του σημείου επανακόλλησης προς το ύψος της θίνης είναι . / The spatial development of the turbulent open channel flow over bottom with five dunes is studied. The steady-state flow is described by the RANS equations utilizing either the or the Spalart-Allmaras turbulence models. The free-surface treatment is based on the VOF formulation, while the numerical solution is based on a finite-volume, unstructured-grid discretization. Lengths are rendered dimensionless by the inflow channel depth, while velocities by the mean inflow velocity. The inflow Reynolds number is , the channel slope is and the Manning coefficient is , which results to a roughness height . In order to verify the numerical methods, the flat bottom case is considered and the numerical predictions are compared to known experimental data. We get very good agreement for the velocity distributions, while for turbulence the results are very good close to the bottom and poor close to the free surface. Then, we consider: (a) three cases with constant dune length and differing dune heights 0.15, 0.25, 0.35, and (b) three cases with constant ratio and dune heights as in (a). The spatial development of the free-surface elevation over the dunes presents a negative mean slope for all cases. Locally over each dune, the amplitude of the free-surface elevation increases with increasing dune height and increasing dune length. The spatial development of the wall shear stress presents a wave-like behavior and its amplitude increases with increasing dune height and decreasing dune length. On every dune crest the streamwise velocity profile is steeper than the universal logarithmic profile similar to the behavior in a favorable pressure gradient boundary layer. The detachment at each dune crest is followed by a recirculation region and reattachment at a distance from the dune trough.

Στόχος της παρούσας διδακτορικής διατριβής είναι η μελέτη χρονικά μεταβαλλόμενων και ασταθών υπό συνθήκες ροών ιξωδοπλαστικών και ιξωδο-ελαστικών ρευστών λόγω της σημασίας που παρουσιάζουν τα υλικά αυτά σε διάφορες βιομηχανικές διεργασίες. Στα πλαίσια της εργασίας αυτής μελετήθηκε αρχικά το πρόβλημα της συμπίεσης ιξωδοπλαστικού ρευστού μεταξύ δύο δίσκων το οποίο είναι ένα βασικό πείραμα ρεολογικού χαρακτηρισμού μη Νευτωνικών υλικών. Η χρονικά μεταβαλλόμενη προσομοίωση επέτρεψε τον προσδιορισμό των σημαντικών διαφορών μεταξύ των δύο εκδοχών του συγκεκριμένου ρεολογικού πειράματος (δίσκοι κινούμενοι υπό σταθερή ταχύτητα ή υπό σταθερή δύναμη) που ήταν αδύνατος με τα προηγούμενα μοντέλα, ενώ παρουσιάζεται και πλήρης παραμετρική μελέτη της διεργασίας αυτής. Το υπόλοιπο μέρος της παρούσας εργασίας αφιερώθηκε στη μελέτη της διεργασίας εκβολής ιξωδοελαστικών υλικών η οποία συναντάται ευρέως στη βιομηχανία μορφοποίησης πολυμερών. Παρουσιάζεται μια πλήρης παραμετρική ανάλυση για την εκβολή ενός ιξωδοελαστικού ρευστού Phan-Tien & Tanner (PTT) από ένα δακτυλιοειδή αγωγό προκειμένου να εξετάσουμε την επίδραση της γεωμετρίας του αγωγού, και των ρεολογικών ιδιοτήτων του ρευστού. Επιπλέον ένα σημαντικό πρόβλημα που εμφανίζεται κατά την εκβολή από ένα κυλινδρικό, επίπεδο ή δακτυλιοειδή αγωγό είναι η εμφάνιση ασταθειών οι οποίες επηρεάζουν σημαντικά την ποιότητα του τελικού προϊόντος. Προκειμένου να διερευνηθεί ο μηχανισμός που προκαλεί την εμφάνιση αυτών των ασταθειών πραγματοποιήθηκε γραμμική ανάλυση ευστάθειας για τη αξονοσυμμετρική και καρτεσιανή δισδιάστατη ροή επικόλλησης-ολίσθησης (stick-slip flow) ενός ρευστού PTT. Γύρω από τη λύση μόνιμης κατάστασης πραγματοποιείται γραμμική ανάλυση ευστάθειας, και υπολογίζονται οι ιδιοτιμές του γενικευμένου προβλήματος με τη βοήθεια της μεθόδου Arnoldi. Έτσι προσδιορίζεται η επίδραση των ιδιοτήτων του υλικού στην ευστάθεια ή μη της ροής. / The purpose of this dissertation is to perform a study on time-dependent and conditionally unstable flows of viscoplastic and viscoelastic fluids because of their importance in various industrial processes. A typical experiment which is used widely for the rheological characterization of non-Newtonian fluids is squeeze flow which is the subject of the first chapter of this dissertation. The time-dependent simulation permitted the determination of the distinct differences between the two versions of this rheological experiment (disks moving with constant velocity or under constant force) which was impossible with the models used up to now, while a complete parametric analysis of this process is presented. The rest of this work focuses in the important problem of the extrusion process of a viscoelastic fluid, which is frequently encountered in the polymer industry. A complete parametric analysis is presented for the extrusion of a Phan-Thien Tanner (PTT) fluid from an annular die in order to examine the effect of the die geometry and the rheological properties of the fluid on this process. Moreover, it is widely known that during the extrusion from a cylindrical, planar or an annular die various flow instabilities may arise affecting significantly the quality of the final product. In order to investigate the mechanism, which causes the appearance of these instabilities, a linear stability analysis is performed for the cylindrical or planar stick-slip flow of a PTT fluid. The stability analysis is performed around the steady state solution and the eigenvalues of the generalized problem are calculated using the Arnoldi algorithm. With this method the effect of the various rheological properties of the fluid on the stability of the flow is determined.