شماره ركورد
33760
پديد آورنده
علي عصائي جديد
عنوان
شبيهسازي فرآيند جذب سطحي هيدروژن در محيط متخلخل با استفاده از روش شبكه بولتزمان و رويكرد مقياس حفره
مقطع تحصيلي
كارشناسي ارشد
رشته تحصيلي
مهندسي مكانيك
سال تحصيل
1401
تاريخ دفاع
1404/06/29
استاد راهنما
مجيد سياوشي
استاد مشاور
-
دانشكده
مهندسي مكانيك
چكيده
هيدروژن يك حامل انرژي پاك و پايدار است، با اين حال ذخيرهسازي عملي آن به دليل چگالي انرژي حجمي پايين همچنان يك چالش اساسي است. يكي از روشهاي ذخيرهسازي هيدروژن جذب سطحي در مواد متخلخل است. چارچوبهاي فلزي-آلي (MOFs)، به ويژه MOF-5 با مساحت سطح بالا و ساختار متخلخل قابل تنظيم داراي ظرفيت بالايي براي جذب هيدروژن ميباشند. در اين مطالعه يك چارچوب فلزي آلي (MOF-5) به عنوان جاذب انتخاب شده و فرآيند جذب سطحي (جريان و اتقال جرم به صورت جفت) در دماي 77 كلوين و در دو فشارپايين و فشار بالا (06/0 و 1 مگاپاسكال) با استفاده از روش شبكه بولتزمان و با استفاده از كتابخانه متن باز پالابوس (PALABOS) شبيهسازي شده است. در اين شبيهسازي، شرط مرزي بين سيال و ذرات حالت ناپاياي ايزوترم لانگموئر انتخاب شده است. براي اين شبيهسازي ابتدا يك هندسه واقعگرايانه از ذرات پودر MOF-5 با اندازه ذره ميانگين مختلف تهيه شده و سپس فصل مشترك اين هندسه سه بعدي با يك صفحه دو بعدي به عنوان هندسههاي دو بعدي نهايي جهت شبيهسازي استفاده شده است. بررسي هيدروديناميك جريان گاز هيدروژن از ميان ذرات MOF-5 نشان داد كه تغيير دادن فشار (غلظت) از فشار پايين به فشار بالا، تاثير چنداني در ميانگين سرعت ندارد، چرا كه با ثابت ماندن نفوذپذيري و گراديان فشار، سرعت ميانگين از قانون دارسي پيروي خواهد كرد و چون ويسكوزيته ديناميك هيدروژن در اين دو فشار تنها 1 درصد تغيير ميكند، سرعت ميانيگن نيز ثابت خواهد ماند. نتايج حاكي از آن است كه در فشار پايين، به دليل محدوديت پخش در داخل ذرات، جذب در ذرات بزرگتر كندتر انجام ميشود در حاليكه در فشار بالا، اندازه ذرات تاثير چنداني در ديناميك جذب ندارد و سينتيك جذب در اين فشار توسط توسط شارجرمي سطحي كنترل ميشود. همچنين در فشار بالا به دليل بيشتر بودن ظرفيت جذب، زمان مورد نياز براي جذب كامل حداقل سه برابر بيشتر از فشار پايين است. تاثير غلظت هاي مختلف در سينتيك جريان نيز بررسي شد و مشاهده شد كه در محدوده فشار پايين، با تغيير جزئي فشار زمان مورد نياز براي جذب كامل تغيير چنداني نميكند در حاليكه در محدوده فشار بالا، با افزايش فشار، زمان مورد نياز براي جذب كامل نيز افزايش مييابد. بررسي ميزان حساسيت ديناميك جذب به ضرايب لانگموئر بررسي شد كه نشان داد در بازه رايج براي ثابتهاي نرخ جذب و نرخ واجذب، در شرايط اين مساله، تغيير چنداني ايجاد نميكند.
تاريخ ورود اطلاعات
1404/07/13
عنوان به انگليسي
Pore-scale simulation of hydrogen adsorption in a metal-organic framework (MOF-5) using lattice Boltzmann method
تاريخ بهره برداري
9/20/2026 12:00:00 AM
دانشجوي وارد كننده اطلاعات
علي عصائي جديد
چكيده به لاتين
Hydrogen is a clean and sustainable energy carrier, yet its practical storage remains a critical challenge due to low volumetric energy density. Metal-organic frameworks (MOFs), particularly MOF-5 with its high surface area and tunable pore structure, offer an efficient solution for adsorption-based hydrogen storage by balancing capacity and kinetics. This study presents a pore-scale numerical framework to simulate hydrogen adsorption in MOF-5 at 77 K and low and high pressures (0.06 and 1 MPa, respectively) using the lattice Boltzmann method (LBM), implemented in the open-source library of parallel lattice Boltzmann solver (PALABOS) to resolve coupled fluid flow, mass transfer, and adsorption dynamics governed by Langmuir’s isotherm. A 3D digital geometry of MOF-5 was reconstructed by a computer code and converted into 2D cross-sectional models for high-resolution simulations to capture pore-scale transport phenomena. Results reveal that particle size negligibly influences adsorption at high pressures, whereas low-pressure conditions lead to slower equilibration in larger particles due to diffusion limitations. Adsorption kinetics shift from surface-flux dominance at high pressures to solid-diffusion control at low pressures, with equilibration time increasing at elevated pressures. Flow velocity analysis further confirms diffusion-driven mass transfer, underscoring the minimal convective effects under typical storage conditions. By integrating parallel LBM with pore-scale resolution, this work advances the computational understanding of hydrogen adsorption in MOFs, providing a foundation for optimizing MOF-5 and related structures for energy storage applications.
كليدواژه هاي فارسي
ذخيرهسازي هيدروژن , چارچوب فلزي-آلي , روش شبكه بولتزمن , جذب سطحي , حلگر شبكه بولتزمن موازي (پالابوس)
كليدواژه هاي لاتين
Hydrogen storage , Metal-organic framework (MOF) , Lattice Boltzmann method (LBM) , Adsorption , Parallel lattice Boltzmann solver (PALABOS)
Author
Ali Asaei Jadid
SuperVisor
Majid Siavashi