مدلسازی دوفازی نفوذ و پیمایش سیال در مسیرهای مشخص داخل محیط متخلخل لایه‌ای به کمک روش شبکه بولتزمن

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 دانشجوی کارشناسی ارشد، دانشکده مهندسی مکانیک، دانشگاه صنعتی شاهرود، شاهرود، ایران

2 دانشیار، دانشکده مهندسی مکانیک، دانشگاه صنعتی شاهرود، شاهرود، ایران

3 استاد، دانشکده مهندسی مکانیک، دانشگاه صنعتی شاهرود، شاهرود، ایران

چکیده

در این مقاله، پدیده نفوذ فیلم مایع و همچنین قطره داخل محیط متخلخل لایه­ای به کمک مدل شان و چن دو فازی و روش شبکه بولتزمن مطالعه شده­است. محیط متخلخل لایه­ای از توزیع تصادفی موانع جامد ایجاد شده است به­طوریکه نسبت تخلخل در هر لایه و در کل ناحیه متخلخل، دارای مقدار ثابتی می­باشد و به یکنواخت­تر شدن توزیع موانع کمک می­کند. در این مطالعه، الگوی نفوذ سیال داخل محیط متخلخل، هم بصورت فیلم مایع و هم به شکل قطره مورد بررسی قرار گرفته و دو رژیم نفوذ ویسکوز فینگرینگ و کاپیلاری فینگرینگ مشاهده و بررسی شده­است. تاثیر نسبت تخلخل و ویژگی آبدوست یا آبگریز بودن سطح بر روی آهنگ نفوذ نیز بررسی گردیده است؛ درکل افزایش میزان تخلخل و آبگریز نمودن سطوح موجب افزایش آهنگ پخش می­گردد. با توجه به لایه­ای بودن محیط متخلخل، اثر استفاده از لایه­ها با نسبت تخلخل­های مختلف و دارای یک نسبت تخلخل معین در مجموع لایه­ها، بر روی بهبود آهنگ نفوذ سیال در محیط متخلخل مورد بحث قرار گرفته­است. همچنین به چگونگی تغییر الگوی نفوذ از رژیم ویسکوز فینگرینگ و نزدیک شدن به رژیم کاپیلاری فینگرینگ به کمک آبدوست نمودن سطوح پرداخته شده­است. از ویژگی­های منحصربفرد تحقیق حاضر، ارائه راهکاری برای تغییر مسیر نفوذ فیلم مایع و عبور آن از مسیر مشخص، داخل محیط متخلخل لایه­ای می­باشد.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


[1]    Yasser Ben Salah Y. T., Takemi Chikahisa, Gas channel optimisation for PEM fuel cell using the lattice Boltzmann method, Energy  Procedia, Vol. 28, pp. 125  –  133, 2012.
[2]    Dong B., Yan Y. Y., Li W., LBM Simulation of Viscous Fingering Phenomenon in Immiscible Displacement of Two Fluids in Porous Media, Transport in  Porous Media, Vol. 88, pp. 293–314, 2011.
[3]    Nazari M., Ashouri M., Kayhani M. H., Tamayol A., Experimental study of convective heat transfer of a nanofluid through a pipe filled with metal foam, International Journal of Thermal Sciences, Vol. 88, No. 0, pp. 33-39, 2015.
[4]    Nazari M., Mohebbi R., Kayhani M. H., Power-law fluid flow and heat transfer in a channel with a built-in porous square cylinder: Lattice Boltzmann simulation, Journal of Non-Newtonian Fluid Mechanics, Vol. 204, No. 0, pp. 38-49, 2014.
[5]    Mohammad Taghilou M. H. R., simulation of 2D droplet penetration in porous media using lattice boltzmann method, Modares Mechanical Engineering, Vol. 13, pp. 43-56, 2014.
[6]    Shan X., Chen H., Simulation of nonideal gases and liquid-gas phase transitions by the lattice Boltzmann equation", Physical Review E, Vol. 49, No. 4, pp. 2941-2948, 1994.
[7]    Zhang X., Lattice Boltzmann implementation for Fluids Flow Simulation in Porous Media, I.J. Image, Graphics and Signal Processing, Vol. 4, pp. 39-45, 2011.
[8]    Dong B., Yan Y. Y., Li W., Song Y., Lattice Boltzmann simulation of viscous fingering phenomenon of immiscible fluids displacement in a channel, Computers & Fluids, Vol. 39, No. 5, pp. 768-779, 2010.
[9]    Liu H., Valocchi A., Kang Q., Werth C., Pore-Scale Simulations of Gas Displacing Liquid in a Homogeneous Pore Network Using the Lattice Boltzmann Method, Transport in Porous Media, Vol. 99, No. 3, pp. 555-580, 2013. English
[10]  Taghilou M., Rahimian M. H., Investigation of two-phase flow in porous media using lattice Boltzmann method, Computers & Mathematics with Applications, Vol. 67, No. 2, pp. 424-436, 2014.
[11]  Sukop M. C., Thorne, Daniel T.,  Lattice Boltzmann Modeling, 1 ed., Florida USA: Springer-Verlag Berlin Heidelberg, 2006.
[12]  Buick J. M., Greated C. A., Gravity in a lattice Boltzmann model, Physical Review E, Vol. 61, No. 5, pp. 5307-5320, 2000.
[13]  Reis Jr N. C., Griffiths R. F., Santos J. M., Numerical simulation of the impact of liquid droplets on porous surfaces, Journal of Computational Physics, Vol. 198, No. 2, pp. 747-770, 2004.
[14] Reis Jr N. C., Griffiths R. F., Santos J. M., Parametric study of liquid droplets impinging on porous surfaces, Applied Mathematical Modelling, Vol. 32, No. 3, pp. 341-361, 2008.
[15]  Lenormand R., Touboul E., Zarcone C., Numerical models and experiments on immiscible displacements in porous media, Journal of Fluid Mechanics, Vol. 189, No. -1, pp. 165-187, 1988.