تحلیل عددی عبور قطره هم مقیاس با حفره های یک محیط متخلخل با استفاده از روش شبکه بولتزمن

نویسندگان

1 دانشکده فنی و مهندسی دانشگاه آزاد اسلامی- واحد تهران مرکزی

2 دانشکده مهندسی هوافضا دانشگاه صنعتی شریف

چکیده

جریان‌های چندفازی در محیط‌های متخلخل هم در طبیعت و هم در صنعت از اهمیت بالایی برخوردارند. هدف اصلی این پژوهش بررسی اثرات اندرکنش قطرات با یک محیط متخلخل است. جریان چند‌فازی در محیط متخلخلی، شامل موانع دایره‌ای شکل در رژیم‌ غیردارسی در گرادیان‌های فشار مختلف، مورد بررسی قرار گرفته‌ است. از یک محیط متخلخلی که قبلا" مایعی در آن جریان دارد، قطره‌ای با خواص متفاوت عبور‌‌داده که برخورد این قطره با محیط متخلخل الگوهای مختلف شکست، حبس و یا به‌هم پیوستن را ایجاد می‌نماید. روش عددی شبکه بولتزمن که در محیط متخلخل به همراه جریان‌ چندفازی قابلیت و انعطاف‌پذیری بالایی از خود نشان داده، مورد استفاده قرار گرفته است. پارامترهای موثر و اعداد بدون بعد مهم مرتبط با جریان چندفازی (مثل عدد آنسرج، عدد کاپیلاری، نسبت چگالی فاز‌ها) مورد بررسی قرار گرفته‌اند. مقادیر فشار بی بعد وارده، 000108/0، 000144/0 و 000180/0 و محدوده آنسرج مورد بررسی 19/0-76/0 می‌باشند. نتایج به‌دست‌آمده نشان می‌دهد که جریان چندفازی پیچیدگی‌ها و فاکتورهای موثر زیادی داشته که بررسی همزمان آن‌ها ضروری است. فاکتورهای مرتبط‌ با قطره و فاز زمینه، مانند تنش سطحی و نسبت چگالی قطرات در کنار خصوصیات جریان (مانند گرادیان فشار) بسیار موثر بوده و تنوعی از حالات شکست، حبس و به هم پیوستن قطره(ات) را به وجود می‌آورد. از نقاط برجسته این تحقیق این‌که نتایج شبیه‌سازی‌های صورت‌گرفته قابلیت پیش‌بینی رفتار قطرات در محیط متخلخل را با فرضیات و روش‌های مورد استفاده در این پژوهش با دقت بالایی امکان‌پذیر می‌سازد.

کلیدواژه‌ها

عنوان مقاله [English]

Numerical Analysis ofِ Same Scales Droplet-Particle Interaction Inside a Porous Medium, Using Lattice Boltzmann Method

کلیدواژه‌ها [English]

  • Porous Media
  • Pore-scale
  • Numerical Analysis
  • Drop
  • Lattice Boltzmann Method (LBM)

مراجع

  1. Dullien, F.A.L “Porous Media, Fluid Transport and Pore Structure”, Academic Press, San Diego, 1991.
  2. Donaldson, E.C., Chilingarian, G.V. and Yen, T.F “Enhanced Oil Recovery, I Fundamentals and Analyses”, Vol. 17, Elsevier, 1985.
  3. Ingham, D.B. and Pop, I. “Transport Phenomena in Porous Media II”, Pergamon Press, Oxford, 2002.
  4. Khaled, A.R.A. and Vafai, K. “The Role of Porous Media in Modeling Flow and Heat Transfer in Biological Tissues”, International Journal of Heat and Mass Transfer, Vol. 46, No. 26, pp. 4989-5003, 2003.
  5. Rowlinson, J.S. and Widom, B. “Porous Media, Applications in Biological Systems and Biotechnology”, Crc Press Taylor & Francis Group, Boca Raton, 2011.
  6. Pan, C., Luo, L.-S. and Miller, C.T. “An Evaluation of Lattice Boltzmann Schemes for Porous Medium Flow Simulation”, Computer & Fluids, Vol. 35, pp. 898-909, 2006.
  7. Aaltosalmi, U. “Fluid Flow in Porous Media with the Lattice-Boltzmann Method”, PhD Dissertation, Department of Physics, University of Jyväskylä, Jyväskylä, Finland, 2005.
  8. Gunstensen, A.K. and Rothman, D.H. “Lattice-Boltzmann Studies of Immiscible Two-phase Flow through Porous Media”, Journal of Geophysical Research, Vol. 98, pp. 6431-6441, 1993.
  9. Ferreol, B. and Rothman, D.H. “Lattice-Boltzmann Simulations of Flow Through Fontainebleau Sandstone”, Transport in Porous Media, Vol. 20, pp. 3-20, 1995.
  10. Martys, N.S. and Chen, H. “Simulation of Multicomponent Fluids in Complex Three-dimensional Geometries by the Lattice Boltzmann Method”, Physical Review E, Vol. 53, 1996.
  11. Tölke, J., Krafczyk, M., Schulz, M., and Rank, E. “Lattice Boltzmann Simulations of Binary Fluid Flow through Porous Media”, Philosophical Transactions of the Royal Society A, Vol. 360, pp. 535–545, 2002.
  12. Lin, C.L., Videla, A.R., and Miller, J.D. “Advanced Three-dimensional Multiphase Flow Simulation in Porous Media Reconstructed from X-Ray Microtomography, Using the He Chen Zhang Lattice Boltzmann Model”, Flow Measurement and Instrumentation, Vol. 21, pp. 255-261, 2010.
  13. Frank, X., Perre, P. “Droplet Spreading on a Porous Surface: A Lattice Boltzmann Study”, Physics of Fluids, Vol. 24, 2012.
  14. Huang, H., Li, Z., Shuaishuai, L., and Lu, X. “Shan-and-Chen-type Multiphase Lattice Boltzmann Study of Viscous Coupling Effects for Two-phase Flow in Porous Media”, International Journal of Numerical Methods in Fluids, Vol. 61, pp. 341-354, 2009.
  15. Pan, C., Hilpert, C.T., and Miller, C.T. “Lattice-Boltzmann Simulation of Two-phase Flow in Porous Media”, Water Resources Research, Vol. 40, 2004.
  16. Hao, L. and Cheng, P. “Pore-scale Simulations on Relative Permeabilities of Porous Media by Lattice Boltzmann Method”, International Journal of Heat and Mass Transfer, Vol. 53, pp. 1908-1913, 2010.
  17. Tabe, Y., Yongju, L., Takemi, C., and Masaya, K. “Numerical Simulation of Liquid Water and Gas Flow in a Channel and Simplified Gas Diffusion Layer Model of Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell Using the Lattice Boltzmann Method”, Journal of Power Sources, Vol. 193, 2009.
  18. Huang, H., Huan, Jun-Jie, and Lu, Xi-Yun “Study of Immiscible Displacements in Porous Media Using a Color-Gradient-Based Multiphase Lattice Boltzmann Method”, Computers & Fluids, Vol. 93, pp. 164-172, 2014.
  19. Huan, H., Wang, L., and Lu, X. “Evaluation of Three Lattice Boltzmann Models for Multiphase Flows in Porous Media”, Computers and Mathematics with Applications, Vol. 61, p. 606–3617, 2011.
  20. Liu, H., Valocchi, A.J., Kang, Q., and Werth, C. “Pore-scale Simulations of Gas Displacing Liquid in a Homogeneous Pore Network, Using Lattice Boltzmann Method”, Transport in Porous Media, Vol. 99, pp. 555-580, 2013.
  21. Latifiyan, N., Farhadzadeh, M., Hanafizadeh, P., and Rahimian, M.H “Numerical Study of Droplet Evaporation in Contact with Hot Porous Surface Using Lattice Boltzmann Method”, International Communications in Heat and Mass Transfer, 2015.
  22. Taghilou, M. and Rahimian, M.H. “Investigation of Two-phase Flow in Porous Media Using Lattice Boltzmann Method”, Computers and Mathematics with Applications, Vol. 67, pp. 424–436, 2014.
  23. Javadi, A., Taeibi-Rahni, M., Bastani, D., and Javadi K. “The Effects of Hydrodynamics Characteristics on the Mass Transfer during Droplet Formation Using Computational Approach, ASME's International Mechanical Engineering Congress and Exposition (IMECE)”, pp. 811-821, 2006.
  24. Chen, F. and Hagen, H. “A Survey of Interface Tracking Methods in Multi-Phase Fluid Visualization, Visualization of Large and Unstructured Data Sets - Applications in Geospatial Planning”, Modeling and Engineering (Irtg 1131 Workshop), Vol. 19, pp. 11-19, 2011.
  25. Cooper-White, J.J., Fagan, J.E., Tirtaatmadja, V., Lester, D.R., and Boger, D.V “Drop Formation Dynamics of Constant Low-viscosity”, Non-Newtonian Fluid Mechanics, Vol. 106, pp. 29-59, 2002.
  26. Heertjes, P.M., De-Nie, L.H., and De-Vries, D.H. “Drop Formation in Liquid-Liquid Systems-II Testing of the Considerations Given in Part I, for Drop Volumes below the Jetting Velocity, A Criterion for the Jetting Velocity”, Chemical Engineering Science, Vol. 26, No. 3, pp. 441-449, 1971.
  27. Yang, Z.L., Dinh, T.N., Nourgaliev, R.R., and Sehgal, B.R. “Numerical Investigation of Bubble Growth and Detachment by the Lattice Boltzmann Method”, International Journal of Heat and Mass Transfer, Vol. 44, pp. 195-206, 2001.
  28. Taghilu, M. and Rahimian, M.H. “Simulation of 2D Droplet Penetration in Porous Media, Using Lattice Boltzmann Method”, Modares Mechanical Engineering, Vol. 13, pp. 43-56, 2013 (in Persian).
  29. Kim, L.S., Ha, H.K., Jeong, M.Y., and Kim, K.C. “Numerical Simulation of Droplet Formation in Micro-channel, Using Lattice Boltzmann Method”, Journal of Mechanical Science and Technology, Vol. 22, pp. 770-779, 2008.

فایل ها

سابقه مقاله

  • تاریخ دریافت: 25 اردیبهشت 1396
  • تاریخ بازنگری: 03 اسفند 1401
  • تاریخ پذیرش: 28 شهریور 1397
  • تاریخ انتشار: 30 بهمن 1395

هم رسانی

ارجاع به این مقاله

آمار