جناب آقای مهندس میلاد رمضانپور دانشجوی دکتری دانشکده مهندسی مکانیک دانشگاه علم و صنعت ایران، از رساله خود با عنوان «شبيه سازي جريان نانو سيال در مقياس حفره درون محيط متخلخل با استفاده از تصاوير بازسازي شده توسط تصاوير ميكرو توموگرافي (Micro-CT Scan)»‏‎ ‎به راهنمایی جناب دکتر مجید سیاوشی در تاریخ 1402/01/30 ساعت 15:00 دفاع می کنند.

اساتید مشاور خارجی: Dr. Martin J. Blunt / دکتر علی قاسمی نژاد رایینی

اساتید داور داخلی: دکتر فرزاد بازدیدی طهرانی / دکتر آیت قره قانی

اساتید داور خارجی: دکتر بهرام دبیر / دکتر محسن مسیحی

چکیده رساله:

حضور نانوذرات در سیالات می‌تواند بر روی خواص سیال موثر باشد که در نتیجه آن تغییراتی را بر روی هیدرودینامیک و انتقال حرارت جریان سیال ایجاد می‌نماید. شناخت رفتار نانوذرات در جریان سیال در مقیاس حفره به پیش‌بینی رفتار جریان نانوذرات در مقیاس‌های بزرگتر درون محیط متخلخل منجر می‌شود. با توجه به اینکه معدود مطالعات موجود در شبیه‌سازی جریان نانوسیال در مقیاس حفره، با ساده‌سازی‌هایی نظیر تک فاز بودن سیال، نمی‌توانند پیچیدگی‌های جریان نانوسیال را لحاظ ‌کنند، در این رساله شبیه‌سازی جریان نانوسیال با رویکرد اویلری-لاگرانژی مورد بررسی قرار گرفت. افزون بر این با توجه به اهمیت ته‌نشینی نانوذرات در محیط‌ متخلخل، ضمن توسعه روش‌های موجود در شبیه‌سازی ته‌نشینی نانوذرات در مقیاس حفره، یک حلگر محاسباتی با روش اویلری-لاگرانژی در نرم‌افزار منبع باز OpenFOAM توسعه داده شد. در این حلگر، نیروهای موثر بین سیال و نانوذرات شامل نیروهای براونی، پسا، شناوری، گرانش و برآ سافمن لحاظ شده و اثر نیروهای موثر بین نانوذرات و دیواره سطح جامد شامل نیروهای واندروالس و دو لایه‌‌ی الکترواستاتیک مورد بررسی قرار گرفتند. همچنین اثر پارامترهایی نظیر قطر نانوذره، سرعت جریان، گرادیان فشار و دما بر نسبت ته‌نشینی نانوذرات (تعداد نانوذرات ته‌نشین شده نسبت به نانوذرات موجود در محیط حل) ارائه شد. افزون بر این، ضمن معرفی دو پارامتر بی‌بعد  (بزرگی پتانسیل سطح) و  (نسبت طول دو لایه الکترواستاتیک به شعاع نانوذره) اثر این دو پارامتر مرتبط با نیروی دو لایه الکترواستاتیک بر نسبت ته‌نشینی نانوذرات بررسی شد. در ادامه، ضمن استفاده از قابلیت حلگر لاگرانژی توسعه یافته، حلگری با امکان مدلسازی اثر جریان نانوذرات بر تنش بین سطحی بین دو سیال امتزاج‌ناپذیر، توسعه یافت. در مرحله‌ی اول از فرآیند حل، جریان نانوسیال در یک میکروکانال مدل‌سازی شد. سپس با ارائه فرآیند تولید هندسه فوم متخلخل و همچنین ایجاد شبکه محاسباتی بر روی تصاویر میکروتوموگرافی، جریان نانوسیال در سه فوم متخلخل با تخلخل‌های 80، 85 و 90 درصد و بریا سنداستون با تخلخل 19.6 درصد مورد بررسی قرار گرفت. در ادامه اثر حضور نانوذرات بر تنش بین سطحی در سیال دو فاز امتزاج ناپذیر مورد محاسبه قرار گرفت. نتایج نشان می‌دهند که با افزایش قطر ذرات از 30 به 150 نانومتر در هوا به عنوان سیال پایه درون یک میکروکانال، نسبت ته‌نشینی نانوذرات از 0.98 به 0.4 کاهش پیدا می‌کند. همچنین شبیه‌سازی جریان نانوذرات در سیال تک فاز آب درون یک میکروکانال نشان می‌دهد که با افزایش  از 1 به 100 در حالت  و  واحد، نسبت ته‌نشینی نانوذرات از 0.003 به 0.189 افزایش می‌یابد که نتایج ارائه شده در تطابق با مطالعات گذشته و نشانگر صحت عملکرد حلگر محاسباتی است. افزون بر این، روند انتقال و ته‌‌نشینی نانوذرات در سه فوم سلول باز با تخلخل‌های مختلف با رویکرد مقیاس حفره نشانگر آن است که با افزایش تخلخل در فوم‌ها از 80 به 85 و سپس 90 درصد، برای نانوذرات با قطر 10 نانومتر و  و  با مقدار واحد، نسبت ته‌نشینی نانوذرات از 0.67 به 0.59 و سپس 0.56 کاهش می‌یابد. همچنین نتایج برهم‌کنش نانوذرات بر تنش بین سطحی در سیال دو فاز نشان می‌دهد که با افزایش ته‎‌نشینی نانوذرات، میزان تنش بین سطحی کاهش می‌یابد. به عنوان مثال با افزایش  از 1 به 50 و سپس 100، حداقل میزان تنش بین سطحی از 0.0668 به 0.0657 و سپس 0.0642 در یک مقطع زمانی یکسان کاهش می‌یابد.

واژه‌هاي كليدي: نانوذرات، محیط متخلخل، اویلر-لاگرانژ، مقیاس حفره، واندروالس، الکترواستاتیک، براونی