شماره ركورد
34330
پديد آورنده
محمد دهقان
عنوان
شبيه سازي رسوب نانوذرات در محيط متخلخل با روش اويلر-لاگرانژ و رويكرد مقياس حفره
مقطع تحصيلي
كارشناسي ارشد
رشته تحصيلي
مهندسي مكانيك
سال تحصيل
1401
تاريخ دفاع
1404/07/30
استاد راهنما
مجيد سياوشي
استاد مشاور
ندارد.
دانشكده
مهندسي مكانيك
چكيده
حضور نانوذرات در سيالات ميتواند موجب تغيير قابل توجهي در خواص فيزيكي و ديناميكي سيال شود و در نتيجه بر رفتار هيدروديناميكي، انتقال جرم و حرارت، و پديدههاي رسوبگذاري تأثير بگذارد. شناخت رفتار نانوذرات در مقياس حفره، گامي اساسي در درك بهتر و پيشبيني دقيقتر رفتار نانوسيالات در مقياسهاي بزرگتر محيطهاي متخلخل است. از آنجا كه بسياري از مطالعات در زمينه شبيهسازي جريان نانوسيالات در مقياس حفره با فرضيات سادهسازيشدهاي همچون تكفاز بودن سيال انجام گرفتهاند و قادر به نمايش كامل پيچيدگيهاي فيزيكي اين پديده نيستند، در اين پژوهش از روش عددي اويلري–لاگرانژي در محيط نرمافزار OpenFOAM براي مدلسازي دقيق فرآيند تهنشيني نانوذرات در فومهاي فلزي متخلخل استفاده شد.
در اين مدل، نيروهاي مؤثر بين سيال و ذرات از جمله نيروهاي براوني، پسا، گرانش، شناوري و برآ سافمن و نيز نيروهاي بين نانوذره و ديواره جامد شامل واندروالس و نيروي دو لايه الكترواستاتيكي لحاظ شدهاند. به منظور حصول دقت بالا، ابتدا اعتبارسنجي مدل عددي در مقياس ميكروكانال انجام شد و سپس رفتار نانوذرات در هندسههاي مختلف متخلخل شامل ساختارهاي منظم Cubic و Kelvin Cell 2 و نامنظم Voronoi و Foam Network مورد مطالعه قرار گرفت تا نقش ويژگيهاي هندسي و پارامترهاي الكترواستاتيكي بر نسبت تهنشيني نانوذرات تحليل شود. نتايج نشان داد افزايش پارامتر NDL كه نسبت شعاع ذره به ضخامت دو لايه الكترواستاتيكي را نشان ميدهد، به معني كاهش دافعه سطحي بوده و باعث افزايش نسبت رسوب نانوذرات ميشود. اين روند تا رسيدن به مقدار آستانهاي ادامه دارد و سپس به حالت اشباع نزديك ميشود. در مقابل، افزايش پارامتر NE1 كه بيانگر بزرگي پتانسيل سطح نانوذره و ديواره جامد است، با افزايش نيروي دافعه الكترواستاتيكي سبب كاهش رسوب نانوذرات ميشود. هر دو اثر وابسته به ريزساختار هندسي هستند؛ بهطوريكه ساختار متخلخل Kelvin Cell 2 با بيشترين سطح تماس جامد و كمترين نفوذپذيري، بالاترين ميزان تهنشيني را نشان داد، در حاليكه Foam Network و Cubic به دليل نفوذپذيري بالا و تماس كمتر، كمترين ميزان رسوب را داشتند. در مرحله بعد، اثر چگالي حفره (PPI) در فومهاي با چگالي ثابت و متغير (گرادياني) بررسي شد. نتايج نشان داد كه با افزايش PPI از 30 به 60، نسبت رسوب از حدود %62 به %89 افزايش مييابد. در فومهاي گرادياني، ترتيب چيدمان چگالي حفرهها نقش اساسي دارد؛ فوم با الگوي كاهشي (PPI 60-50-40-30) بيشترين نسبت رسوب (حدود %81) و فوم با الگوي افزايشي (PPI 30-40-50-60) كمترين مقدار (حدود %77) را نشان داد. در فوم پلهاي (PPI 60-30)، تغيير ناگهاني چگالي در مرز نواحي منجر به كاهش بيشتر رسوب (حدود%76) شد. نتايج اين بخش بيانگر آن است كه توزيع چگالي حفره در امتداد جريان عامل تعيينكننده در احتمال برخورد ذرات با سطح جامد است، بهطوريكه وجود نواحي متراكمتر در ابتداي مسير باعث افزايش رسوب اوليه و كلي نانوذرات ميشود. در ادامه، اثر تخلخل فوم در بازه%65 تا %90 مورد بررسي قرار گرفت. با افزايش تخلخل، سطح تماس جامد از 1421٫6 به 848٫1 ميليمتر مربع كاهش يافت و مسيرهاي عبور سيال داراي فضاي بيشتري شدند. اين امر موجب كاهش تدريجي احتمال برخورد ذرات با سطح و در نتيجه كاهش حدود %11 در نسبت رسوب گرديد. اين يافتهها نشان ميدهند كه كاهش سطح تماس جامد يكي از مهمترين عوامل در افت نسبت رسوب نانوذرات با افزايش تخلخل است. در گام نهايي، تأثير گراديان فشار اعمال شده بين ورودي و خروجي در فوم ورونويي با تخلخل %80 و چگالي حفره گرادياني (PPI 30-40-50-60) بررسي شد. نتايج نشان داد با افزايش گراديان فشار از kPa/m 10 تا 35، اگرچه سرعت موضعي جريان افزايش مييابد، اما نفوذپذيري مؤثر به دليل تغيير ساختار جريان حدود %21.8 كاهش يافته و همزمان نسبت رسوب حدود %7 افزايش مييابد. اين رفتار، رابطهي معكوس و وابستهي ميان نفوذپذيري و ميزان رسوب را بهخوبي نشان ميدهد.
به طور كلي، نتايج اين پژوهش نشان داد كه برهمكنش پيچيده نيروهاي بينذرهاي، ويژگيهاي هندسي فوم (تخلخل، چگالي حفره و نوع ساختار)، و شرايط جريان (گراديان فشار) از عوامل تعيينكنندهي اصلي در فرآيند تهنشيني نانوذرات در محيطهاي متخلخل است.
تاريخ ورود اطلاعات
1404/10/17
عنوان به انگليسي
Simulation of Nanoparticle Deposition in Porous Media Using the Euler–Lagrange Method and Pore-Scale Approach
تاريخ بهره برداري
10/22/2026 12:00:00 AM
دانشجوي وارد كننده اطلاعات
محمد دهقان
چكيده به لاتين
The presence of nanoparticles in fluids can significantly alter the physical and dynamic properties of the flow, thereby influencing hydrodynamic behavior, mass and heat transfer, and deposition phenomena. Understanding nanoparticle behavior at the pore scale is a crucial step toward better interpretation and more accurate prediction of nanofluid behavior in larger-scale porous media. Since many pore-scale simulation studies assume simplified single-phase flow models and fail to capture the full physical complexity of this phenomenon, in this study, the Euler–Lagrange numerical method was employed in OpenFOAM to model the detailed process of nanoparticle deposition in metallic open-cell foams.
In the developed model, the interactions between the fluid and particles including Brownian, drag, gravity, buoyancy, and Saffman lift forces as well as the nanoparticle–wall interactions (van der Waals and electrostatic double-layer forces) were considered. To ensure high accuracy, the numerical model was first validated on a microchannel scale and then applied to various porous geometries, including ordered (Cubic and Kelvin Cell 2) and disordered (Voronoi and Foam Network) structures. This allowed investigation of the effects of geometrical features and electrostatic parameters on the nanoparticle deposition ratio. Results indicated that increasing the parameter NDL (the ratio of particle radius to double-layer thickness), which represents the reduction of surface repulsion, leads to an increase in nanoparticle deposition up to a threshold value, beyond which the trend approaches saturation. Conversely, increasing the parameter NE1, which represents the surface potential magnitude of both the nanoparticle and the wall, enhances electrostatic repulsion and thus reduces deposition. Both effects depend strongly on microstructural geometry: the Kelvin Cell 2 structure, with the highest solid surface area and lowest permeability, exhibited the greatest deposition, while Foam Network and Cubic geometries with higher permeability and lower solid contact showed the lowest.
Subsequently, the effect of pore density (PPI) was analyzed for both constant and gradient (variable) foams. The results showed that increasing PPI from 30 to 60 led to a rise in deposition ratio from about 62% to 89%. In gradient foams, the pore-density arrangement played a key role: the decreasing pattern (PPI 60–50–40–30) yielded the highest deposition (~81%), whereas the increasing pattern (PPI 30–40–50–60) resulted in the lowest (~77%). In the stepwise foam (PPI 60–30), the sudden density change at the boundary further reduced deposition (~76%). These findings indicate that the distribution of pore density along the flow direction is a critical factor in determining the probability of particle–wall collisions; the presence of denser regions at the inlet increases both initial and total deposition.
The influence of foam porosity (65–90%) was also examined. As porosity increased, the solid surface area decreased from 1421.6 to 848.1 mm², allowing greater flow pathways and consequently reducing particle–wall interactions. This led to an approximately 11% decline in deposition ratio. Hence, the reduction in solid surface area was identified as a major cause of the decrease in deposition with increasing porosity.
Finally, the effect of the applied pressure gradient was studied in a Voronoi foam (80% porosity, gradient pore density 30–40–50–60 PPI). Increasing the pressure gradient from 10 to 35 kPa/m raised the local flow velocity but reduced the effective permeability by about 21.8%, while increasing the deposition ratio by approximately 7%. This inverse relationship highlights the coupled dependency between permeability and nanoparticle deposition.
Overall, the results of this study demonstrate that the complex interplay among interparticle forces, foam geometrical characteristics (porosity, pore density, and structure type), and flow conditions (pressure gradient) are the key factors governing the nanoparticle deposition process in porous media.
كليدواژه هاي فارسي
نانوذرات , اويلر-لاگرانژ , محيط متخلخل , رسوب , مقياس حفره
كليدواژه هاي لاتين
nanoparticles , Euler–Lagrange method , porous media , deposition , pore scale
Author
Mohammad Dehghan
SuperVisor
Majid Siavashi