28449

شبيه‌سازي جريان نانوسيال در مقياس حفره درون محيط متخلخل بازسازي شده توسط تصاوير ميكروتوموگرافي

دكتري

مهندسي مكانيك

1395

1402/01/30

دكتر مجيد سياوشي

پروفسور مارتين بلانت- دكتر علي قاسمي نژاد رائيني

مهندسي مكانيك

حضور نانوذرات در سيالات مي‌تواند بر روي خواص سيال موثر باشد كه در نتيجه آن تغييراتي را بر روي هيدروديناميك و انتقال حرارت جريان سيال ايجاد مي‌نمايد. شناخت رفتار نانوذرات در جريان سيال در مقياس حفره به پيش‌بيني رفتار جريان نانوذرات در مقياس‌هاي بزرگتر درون محيط متخلخل منجر مي‌شود. با توجه به اينكه معدود مطالعات موجود در شبيه‌سازي جريان نانوسيال در مقياس حفره، با ساده‌سازي‌هايي نظير تك فاز بودن سيال، نمي‌توانند پيچيدگي‌هاي جريان نانوسيال را لحاظ ‌كنند، در اين رساله شبيه‌سازي جريان نانوسيال با رويكرد اويلري-لاگرانژي مورد بررسي قرار گرفت. افزون بر اين با توجه به اهميت ته‌نشيني نانوذرات در محيط‌ متخلخل، ضمن توسعه روش‌هاي موجود در شبيه‌سازي ته‌نشيني نانوذرات در مقياس حفره، يك حلگر محاسباتي با روش اويلري-لاگرانژي در نرم‌افزار منبع باز OpenFOAM توسعه داده شد. در اين حلگر، نيروهاي موثر بين سيال و نانوذرات شامل نيروهاي براوني، پسا، شناوري، گرانش و برآ سافمن لحاظ شده و اثر نيروهاي موثر بين نانوذرات و ديواره سطح جامد شامل نيروهاي واندروالس و دو لايه‌‌ي الكترواستاتيك مورد بررسي قرار گرفتند. همچنين اثر پارامترهايي نظير قطر نانوذره، سرعت جريان، گراديان فشار و دما بر نسبت ته‌نشيني نانوذرات (تعداد نانوذرات ته‌نشين شده نسبت به نانوذرات موجود در محيط حل) ارائه شد. افزون بر اين، ضمن معرفي دو پارامتر بي‌بعد N_E1 (بزرگي پتانسيل سطح) و N_DL (نسبت طول دو لايه الكترواستاتيك به شعاع نانوذره) اثر اين دو پارامتر مرتبط با نيروي دو لايه الكترواستاتيك بر نسبت ته‌نشيني نانوذرات بررسي شد. در ادامه، ضمن استفاده از قابليت حلگر لاگرانژي توسعه يافته، حلگري با امكان مدلسازي اثر جريان نانوذرات بر تنش بين سطحي بين دو سيال امتزاج‌ناپذير، توسعه يافت. در مرحله‌ي اول از فرآيند حل، جريان نانوسيال در يك ميكروكانال مدل‌سازي شد. سپس با ارائه فرآيند توليد هندسه فوم متخلخل و همچنين ايجاد شبكه محاسباتي بر روي تصاوير ميكروتوموگرافي، جريان نانوسيال در سه فوم متخلخل با تخلخل‌هاي 80، 85 و 90 درصد و ماسه سنگ با تخلخل 19.6 درصد مورد بررسي قرار گرفت. در ادامه اثر حضور نانوذرات بر تنش بين سطحي در سيال دو فاز امتزاج ناپذير مورد محاسبه قرار گرفت. نتايج نشان مي‌دهند كه با افزايش قطر ذرات از 30 به 150 نانومتر در هوا به عنوان سيال پايه درون يك ميكروكانال، نسبت ته‌نشيني نانوذرات از 0.98 به 0.4 كاهش پيدا مي‌كند. همچنين شبيه‌سازي جريان نانوذرات در سيال تك فاز آب درون يك ميكروكانال نشان مي‌دهد كه با افزايش N_DL از 1 به 100 در حالت N_E1=10 و Re واحد، نسبت ته‌نشيني نانوذرات از 0.003 به 0.189 افزايش مي‌يابد كه نتايج ارائه شده در تطابق با مطالعات گذشته و نشانگر صحت عملكرد حلگر محاسباتي است. افزون بر اين، روند انتقال و ته‌‌نشيني نانوذرات در سه فوم سلول باز با تخلخل‌هاي مختلف با رويكرد مقياس حفره نشانگر آن است كه با افزايش تخلخل در فوم‌ها از 80 به 85 و سپس 90 درصد، براي نانوذرات با قطر 10 نانومتر و N_E1 و N_DL با مقدار واحد، نسبت ته‌نشيني نانوذرات از 0.67 به 0.59 و سپس 0.56 كاهش مي‌يابد. همچنين نتايج برهم‌كنش نانوذرات بر تنش بين سطحي در سيال دو فاز نشان مي‌دهد كه با افزايش ته‌نشيني نانوذرات، ميزان تنش بين سطحي كاهش مي‌يابد. به عنوان مثال با افزايش N_E1 از 1 به 50 و سپس 100، حداقل ميزان تنش بين سطحي از 0.0668 به 0.0657 و سپس 0.0642 در يك مقطع زماني يكسان كاهش مي‌يابد.

1402/03/21

Pore-scale simulation of nanofluid flow in porous media reconstructed by micro-tomography images

4/18/2024 12:00:00 AM

The presence of nanoparticles in the fluids inside the porous media leads to improved parameters related to hydrodynamics and heat transfer of the fluid flow. Understanding the behavior of nanoparticles in fluid flow at the pore scale leads to predicting the behavior of nanoparticle flows at larger scales inside the porous medium. Considering that the few existing studies on the simulation of nanofluid flow at the pore scale do not consider the complexities of nanofluid flow with simplifying assumptions such as single-phase fluidity, in this thesis, the simulation of nanofluid flow was investigated with the Eulerian-Lagrangian approach. In addition, due to the importance of nanoparticle attachment in porous media, a computational solver with Eulerian-Lagrangian method was developed in OpenFOAM open-source software by developing a method for nanoparticle attachment. This solver considered influential forces between fluid and nanoparticles, including Brownian motion, drag, buoyancy, and gravity. Also, the effect of influential forces between nanoparticles and the solid surface wall, including van der Waals forces and electrostatic double layers, was investigated. Furthermore, the effect of parameters such as nanoparticle diameter, fluid velocity, pressure gradient, and temperature on nanoparticle deposition ratio (the number of deposited nanoparticles to the injected nanoparticles) was presented. In addition, while introducing two dimensionless parameters N_E1 (magnitude of the surface potential) and N_DL (the ratio of the length of the electrostatic double layer to the radius of the nanoparticle), the effect of these two parameters on the deposition ratio of nanoparticles was investigated. Moreover, using the developed Lagrangian solver, a new solver was developed that can model the effect of nanoparticles on the interfacial tension between two immiscible fluids. At first, the nanofluid flow in a microchannel was investigated. Then, by presenting the foam production process and creating a computing network on microtomographic images, the nanofluid flow in three foams with porosities of 80, 85 and 90% and Beria sandstone with 19.6% porosity was investigated. Furthermore, the effect of nanoparticles on the interfacial tension of immisicible two phase flow was calculated. The results show that increasing the diameter of particles from 30 to 150 nm in air as the base fluid inside a microchannel decreases the deposition ratio of nanoparticles from 0.98 to 0.4. Also, the simulation of the flow of nanoparticles in a single-phase fluid of water inside a microchannel shows that with the increase of N_DLfrom 1 to 100 in the case of N_E1=10 and Re=1, the deposition ratio of nanoparticles increases from 0.003 to 0.189, which results are in accordance with the studies in the literature, and show the accuracy of the performance of the computational solver. In addition, the transport and attachment process of nanoparticles in three foams with different porosities by the pore scale approach shows that with increasing porosity in foams from 80% to 85% and then 90%, for nanoparticles with a diameter of 10 nm and N_E1=1 and N_DL=1, the deposition ratio of nanoparticles decreases from 0.67 to 0.59 and then to 0.56. Also, the results of the interaction of nanoparticles on the interfacial tension in the two-phase fluid show that the amount of interfacial tension decreases with the increase of nanoparticle deposition. For example, with the increase of N_E1 from 1 to 50 and then 100, the minimum amount of interfacial tension decreases from 0.0668 to 0.0657 and then 0.0642 at the same time.

نانوذرات، محيط متخلخل، اويلر-لاگرانژ، مقياس حفره، واندروالس، الكترواستاتيك، براوني

Nanoparticle, Porous media, Eulerian-Lagrangian, Pore-scale, Van der Waals, Electrostatic, Brownian

Milad Ramezanpour

Dr Majid Siavashi