17520

17520

شبيه‌سازي CFD-DEM سيال مگنتورئولوژيكال به منظور پيش‌بيني خواص رئولوژيكي آن

كارشناسي ارشد

شيمي

اسفندماه 1395

دكتر سيد حسن هاشم‌آبادي

شيمي، نفت و گاز

سيالات مگنتورئولوژيكال، سوسپانسيون­هاي پيچيده­اي هستند كه در اثر اعمال ميدان مغناطيسي، يك حالت گذرا از رفتار مايع به رفتار جامد، از خود نشان مي­دهند. اين حالت گذرا ناشي از نيرو­هاي جاذبه دوقطبي-دوقطبي بين ذرات است، كه در اثر اعمال ميدان، خاصيت مغناطيسي پيدا كرده­اند. تشكيل ساختارهاي ذره­اي درون سوسپانسيون، پديده اصلي است كه ميزان تغيير خواص رئولوژيكي را كنترل مي­كند. شبيه­سازي سيالات مگنتورئولوژيكال همواره مورد توجه محققان بوده است. در مطالعات اخير، به منظور درك عميق­تر رفتار اين سيالات در شرايط تحت برش، گرايش به شبيه­سازي­هاي مقياس ذره­ي آن‌ها افزايش يافته است؛ روش­هايي كه در آن‌ها، پديده­هاي اصلي جريان سيالات مگنتورئولوژيكال، يعني ديناميك ذرات، نيروهاي مغناطيسي بين آن­ها و هيدروديناميك سيال پايه، گنجانده شده­است. روش DEM-CFD يكي از اين روش­هاست كه در آن، ديناميك ذرات به وسيله­ي DEM و معادلات جريان سيال نيز از يكي از تكنيك‌هاي CFD مورد تجزيه و تحليل قرار مي­گيرد؛ در اين پژوهش ديدگاه LBM، به عنوان يكي از تكنيك‌هاي CFD، به همراه مدل­سازي برهمكنش ميان دوقطبي­ها مورد استفاده قرار گرفت و براي اولين بار به منظور شبيه­سازي سيالات مگنتورئولوژيكال و تجزيه و تحليل­هاي رئولوژيكي به كار برده شد. برخورد ذرات به كمك مدل تماس هرتز و نيروهاي مغناطيسي به­وسيله­ي مدل دوقطبي ثابت، براي سيالي متشكل از 15 درصد حجمي ذرات مغناطيسي آهن كربنيل درون روغن سيليكون، به كمك نرم‌افزار LAMMPS شبيه­سازي شد. شكل‌گيري‌هاي ميكروساختاري ذرات در حضور ميدان و تحت اعمال نيروي برشي بررسي شد. تشكيل كامل ستون‌هاي ذرات در راستاي ميدان kA/m73، در مدت 30 ميلي ثانيه انجام شد و آرايش نهايي تابعيت چنداني از شدت ميدان نداشت. در نرخ برش‌هاي بالا، با توجه به شدت ميدان اعمالي ساختاري صفحه‌اي شكل مشاهده شد. همچنين توزيع سرعت در شدت ميدان بالا به سمت تخت شدن ميل كرد. با توجه به اين پروفيل سرعت و هم‌چنين مؤلفه‌ي هيدروديناميكي تنش برشي در نرخ برش‌هاي بالا، وجود يك روش براي حل معادلات جريان سيال را ضروري مي‌كند. نتايج رئولوژيكي در نرخ برش‌هاي تا 1000 بر ثانيه و براي ميدان‌هاي 36، 73 و 109 كيلوآمپر بر متر، در مقايسه با داده‌هاي آزمايشگاهي خطاي قابل قبول 51/15 درصد را به دست داد.

1396/04/03

1/1/1900 12:00:00 AM

Magnetorheological fluid is a type of smart fluids, which can rapidly be changed from a liquid state to a solid state, by application of a magnetic field. This greately changing in rheological properties of MR fluid, is due to the dipolar interactions between magnetized particles, which induce their aggregations to form chain-like structures aligned with the external magnetic field. In recent studies, particle-level simulation of MR fluids has been a very interesting object, with consideration of more accurate methods, which take into account fundamental phenomena in flow of MR fluids, i.e particle dynamics, magnetic forces and base fluid hydrodynamics. One of these simulation approaches is DEM-CFD coupling method, which has been used in this work, with consideration of magnetic interactions. The flow of base fluid was simulated using the Lattice Boltzmann Method (LBM), as the CFD technic, and dynamic of suspended particles in MR fluid was calculated using the Discrete Element Method (DEM). Furthuremore, dipolar interactions between magnetized particles, were modeled by implementation of the fixed dipole model, into LAMMPS, and all simulations were carried out using these software packages, for a MR fluid of containing about 15 percent volume fraction of suspended carbonyl iron in silicone oil, under shear loading. The shear rate was varied from about 30 to 1000 s-1, in the presence of magnetic field strengths of 36, 73 and 109 kA/m. For the first time, DEM-LBM coupling method were used to simulate MR fluid with prediction of its rheological properties for a wide range of shear rates and magnetic fields. The simulations were performed in two stages, particle chains formation and different shear loading conditions for MR fluid. A stronger magnetic field at the first stage, results in only shorter response time, and the final chain configuration were not very different, for example a total duration of 30 ms were achieved for the magnetic field strength, 73 kA/m. At the second stage rheological results were in good agreement with experimental data, and a total error of 15.51 were achieved. Furthuremore, a sheet like structure of MR particles was seen at high shear rates depending on the mafnetic field intensity.