26221

مطالعه تجربي-عددي برهمكنش قطره نفتي با حباب گازي در محلول هاي آبي

دكتري تخصصي (PhD)

مهندسي مكانيك- تبديل انرژي

1392-1400

1400/11/30

سيد مصطفي حسينعلي پور

مهندسي مكانيك

در رساله حاضر، برهمكنش بين قطرات روغني/نفتي مختلف با حبا¬ب¬هاي هوا درون محيط¬هاي آبي متنوع مورد مطالعه قرار گرفته است. محيط¬هاي آبي كه به عنوان سيال بستر مورد استفاده قرار گرفتند شامل آب ديونيزه، محلول آب نمك و تركيب آب ديونيزه با درصدهاي حجمي مختلف گليسيرين هستند، در حاليكه براي توليد قطرات از سيالاتي مانند بنزين، نفت خام، روغن آفتابگردان و روغن سيليكون در ويسكوزيته¬هاي مختلف (mPa.s 5-350) بهره گرفته شد. جهت انجام آزمايشات، دستگاه تست خاصي طراحي و ساخته شد، به گونه¬اي كه امكان مشاهده و ضبط فرآيند برهمكنش بين حباب/قطره به وسيله دوربين سرعت بالا ميسر گردد. نتايج اين آزمايشات در حالت شبه¬ استاتيك و تماس كنترل شده نشان مي¬دهد كه وجود نمك در فاز پيوسته هم خود مدت زمان تخليه فيلم بينابيني و هم ميزان تغييرات آن در آزمايشات يكسان تكرار شده را كاهش مي¬دهد. به عبارت بهتر، مدت زمان¬هاي تخليه محاسبه شده در آب نمك نسبت به آب خالص داراي پراكندگي كمتر و ماهيت متمركزتري دارند. در حالت ديناميك و برخورد حباب در حال صعود با قطره معلق نيز رفتار مشابهي مشاهده گرديد. برآورد بازدهي كپسولاسيون در محلول¬هاي آب نمك 0.05، 0.1 و 0.6 مول حاكي از افزايش عمومي تعداد كپسولاسيون موفق نسبت به آب خالص است. همچنين در اين حالت نسبت قطر بحراني حباب به قطره (Dcr=Db/Dd) براي كپسولاسيون كاهش و مدت زمان پوشش حباب با افزايش Dd/Dbافزايش مي¬يابند. نتايج به¬دست آمده حاكي از آن است كه علاوه بر ضريب پخش، پارامتر¬هايي از قبيل انرژي جنبشي، سرعت در لحظه¬ي برخورد و مدت زمان تماس بر بازدهي اين پديده تأثير¬گذار هستند. در بررسي اثر تغيير خواص سيال بستر مشاهده شد كه بازدهي كپسولاسيون براي همه روغن¬ها با افزايش درصد حجمي گليسيرين (افزايش ويسكوزيته محيط) كاهش مي¬يابد. اين مشاهده با پيش¬بيني تئوري مبتني بر ضريب پخش قطره روغني كه با كشش سطحي بين سه سيال تعيين مي¬گردد، همخواني خوبي دارد و با افزايش ضريب پخش، يعني كاهش كشش بين سطحي قطره و سيال پيوسته بازدهي كپسولاسيون افزايش مي¬يابد. نقشه نموداري برخورد بر حسب دو عدد بي¬بعد وبر (We) و كپيلاري (Ca) نشان¬ مي¬دهد كه با افزايش Ca، براي تشكيل كپسولاسيون، عدد وبر نيز بايد افزايش پيدا ¬كند. همچنين در اين نمودار، خط سهمي از مرتبه¬ 3 معرفي شد كه جدا¬كننده¬ي محدوده¬ي تشكيل و عدم تشكيل كپسولاسيون مي¬باشد. در بخش مطالعه عددي، ابتدا برنامه محاسباتي به روش بولتزمن شبكه¬اي مبتني بر ميدان فازي (Phase-field LBM) در زبان برنامه نويسي فرترن توسعه يافت. اين كد محاسباتي امكان درنظرگيري نسبت¬هاي چگالي بالا بين حباب و آب (O(1000)) و نيز شبيه¬سازي پخش/ترشوندگي كامل فازها را دارا مي¬باشد و لذا در زمره پيشگامان مدل¬هاي LBM سه فازي با قابليت¬هاي مذكور قرار مي¬گيرد. شبيه¬سازي-هاي برخورد قطره-حباب نيز در دو بخش انجام گرفتند. در ابتدا برخورد بين دو قطره امتزاج ناپذير با سرعت اوليه نسبي درون محيط مايع بررسي گرديد. علاوه بر تصوير جزئيات برهمكنش و بحث در خصوص هيدروديناميك جريان، ماحصل برخورد به صورت نقشه¬هاي عدد وبر-پارامتر برخورد (We-B) در حالت¬هاي مختلف (ائر نسبت چگالي، نسبت ويسكوزيته و كشش بين سطحي) ارائه شدند. سه رژيم برخوردي ائتلاف (I)، بازگشت (II) و ائتلاف همراه با بدام افتادن قطره كوچكي از فاز پيوسته (III) در اين بخش شناسايي شده و خطوط انتقالي/جداكننده اين رژيم¬ها در حالت مشخص گرديدند. در قسمت دوم مطالعه عددي، فرآيند برخورد قطره و حباب در حال صعود با استفاده از خواص سيال واقعي و كاربردي و انتقال مقادير پارامترها از فضاي فيزيكي به فضاي بولتزمن شبكه¬اي شبيه¬سازي گرديد. نتايج اين بخش براي مراحل برهمكنش و نحوه پخش انواع قطرات با اندازه و لزجت¬هاي متنوع مطابقت خوبي با مشاهدات تجربي دارند. اين نتايج نشان مي¬دهند كه مدت زمان¬هاي برخورد (tcollision) و پخش (tspreading) با كاهش ضريب پخش، افزايش ويسكوزيته قطره و ويسكوزيته فاز پيوسته افزايش مي¬يابند. با افزايش چگالي قطره، مدت زمان برخورد كاهش و مدت زمان پوشش افزايش مي¬يابد. اين دو زمان مشخصه با شتاب گرانش و سرعت صعود رابطه عكس داشته و با افزايش آن كاهش مي¬يابند. همچنين براي حباب و قطره غير هم اندازه، در نسبت قطرهاي Dd/Db=0.5-1 مدت زمان¬ برخورد و پوشش با افزايش نسبت قطر روند نزولي داشته و براي نسبت قطرهاي بزرگتر از 1 مدت زمان برخورد افزايش يافته، اما مدت زمان پوشش تقريباً ثابت مي¬ماند. با بزرگتر شدن پارامتر برخورد B، كه نماينده ميزان خروج از مركزي برخورد است، مدت زمان برخورد و تخليه فيلم افزايش مي¬يابد. روند مدت زمان پوشش نيز تا B=0-0.4 كاهشي و پس از آن افزايشي است.

1400/12/22

Experimental and numerical study of oil droplet-gas bubble interaction in aqueous solutions

2/20/2023 12:00:00 AM

In the present thesis, the interaction between different oil droplets with air bubbles in various aquatic environments has been studied. Aqueous media used as substrate fluids include deionized water, brine solution, and a combination of deionized water with varying volumes of glycerin, while droplets were produced from fluids such as gasoline, crude oil, sunflower oil, and silicon oil with different viscosities (5-350 mPa.s). To perform the experiments, a special test device was designed and built, so that the interaction process between the bubble / drop could be observed and recorded by a high-speed camera. The results of these experiments in the quasi-static state and controlled contact show that the presence of salt in the continuous phase reduces both the drainage time of the intermediate film and its variations in the same repeated experiments. In other words, the discharge times calculated in brine are less dispersed and more concentrated than in pure water. The reason for this behavior is the reduction of electrostatic double layer repulsion due to the presence of NaCl ions. So the outcome of the interaction has lesser dependence on the random and microscopic fluctuations in the film. A similar behavior was observed in the dynamic state and the collision of the ascending bubble with the suspended drop. Estimation of encapsulation efficiency in 0.05, 0.1 and 0.6 mol brine solutions indicates a general increase in the number of successful engulfments relative to pure water. In this case, the ratio of the critical diameter of the bubble to the drop (Dcr = Db / Dd) for the engulfment is also reduced. In pure water, however, mainly bubbles larger than the droplet that had sufficient kinetic energy were able to overcome the surface energy of the droplet and pass through its interface with water. The results showed that in addition to the diffusion coefficient, parameters such as kinetic energy, velocity at the moment of impact and contact time affect the efficiency of this phenomenon. In the study of the effect of changing the properties of the substrate fluid, it was observed that the engulfment rate decreases for all oils by increasing the volume percentage of glycerol (increasing the viscosity of the medium). This observation is in line with the theorerical prediction based on the oil droplet spreading coefficient, which is determined by the interfacial tension between the three fluids, and the encapsulation efficiency inhances by increasing the spreading coefficient, ie decreasing the interfacial tension between the droplet and the continuous fluid. The graph of the collision in terms of two dimensionless numbers Weber (We) and capillary (Ca) shows that as Ca increases, the Weber number must also increase in order to form a capsulation. Also in this diagram, a quota line of order 3 was introduced, which separates the encapsulation and bounce areas. In the numerical study section, first the computational program for Phase-field LBM was developed in Fortran programming language. This computational code has the ability to consider high density ratios between bubble and water (O (1000)) as well as simulation of total spreading or wettability states, and therefore is among the pioneers works of three-phase LBM models with the mentioned capabilities. drop-bubble collision simulations were performed in two parts. At first section, the collision between two immiscible drops with relative initial velocity in the liquid medium was investigated. In addition to detailing the interaction and discussing the hydrodynamics of the flow field, the collision outcomes were presented in the form of Weber-collision parameter (We-B) maps in different states (changing density ratio, viscosity ratio and interfacial tension). The three collision regimes of Engulfment (I), Bounce (II) and Engulfment with the entrapment of a small drop of continuous phase (III) were identified in this section, and the transition / separation lines of these regimes were also specified in each state. In the second part of the numerical study, the process of collision and coalescence between ascending droplet-bubble was simulated using physical properties of fluids. To do so, parameter values were transferred from the lattice Boltzmann space to physical space. Various effects such as density, viscosity, surface tension, droplet-bubble size ratio, continuous phase viscosity, and off-center collisions were investigated, and the results of collision times and droplet’s spreading time on the bubble were estimated. The results of this section are in good agreement with experimental observations for the interaction stages and the spreading of droplets with different sizes and viscosities. These results show that the tcollision and tspreading times increase with increasing spreading coefficient, droplet density, droplet viscosity and continuous phase viscosity. These two characteristic times are inversely related to gravity acceleration and rise velocity. Also, for non-uniform bubble-droplet sizes, in the ratio of diameters Db/Dd greater than 1, the collision and spreading times have a downward trend. For Db/Dd0.5. for gravity constant of 9.81 m/s2 critical B for successful encapsulation was found to be B=0.75, while for accelerated gravity of 3.3*9.81, B=0.6 was observed.

برهمكنش قطره-حباب , جريان سه فازي , مطالعه تجربي , شبيه سازي عددي , روش بولتزمن شبكه اي , كپسوله سازي حباب , تخليه فيلم بينابيني

bubble-droplet interaction , three-phase flow , experimental study , numerical simulations , Lattice Boltzmann method , bubble encapsulation , film drainage

Adel Ebadi

Seyed Mostafa Hosseinalipour