بخشی از مقاله
چکیده
در این مطالعه با استفاده از روشهای CFD به مطالعه اثر میدان مغناطیسی بر تغییر شکل و ائتلاف قطرات مغناطیسی پرداخته شده است. از نرمافزار متن باز OpenFoam به عنوان بستر شبیهسازیها استفاده شده است. معادلات جریان سیال به همراه معادلات مغناطیس ماکسول به صورت همزمان حل گردیده و از ترکیب روشهای VOF و Level-Set به عنوان یک دیدگاه جدید برای تعیین فصل مشترک جریان دوفازی استفاده گردیده است.
نتایج شبیهسازی برای سیستم شامل تک قطره با دادههای تجربی گزارششده در مقالات مقایسه گردیده و پس از اطمینان از مدلسازی و چهارچوب محاسباتی، پدیده ائتلاف دو قطره مغناطیسی در حضور میدان مغناطیسی شبیهسازی شده است. همچنین در این مطالعه اثر پارامترهای موثر نظیر شدت میدان، کشش سطحی و ویسکوزیته بر پدیده ائتلاف دو قطره مورد بررسی قرار گرفته است.
معرفی
ترکیب مغناطیس و جریان سیال منجر به پیدایش یک زمینه جدید از علوم و تکنولوژی تحت عنوان سیالات مغناطیسی شده است. در تکنولوژی سیالات مغناطیسی از یک سیال مغناطیسی برای کاربردهای مختلف تحت تاثیر میدان مغناطیسی استفاده میگردد. سیال مغناطیسی یک سوسپانسیون پایدار از نانوذرات مغناطیسی است که این ذرات مغناطیسی توسط یک لایه از مواد فعال سطحی پوششدار شدهاند تا در سیال پایه به صورت مطلوب پخش گردند.
نانوذرات مغناطیسی از جنس فلزاتی هستند که خاصیت مغناطیسی دارند - مانند آهن وکبالت - . نانوذرات مگنتیت - Fe3O4 - به خاطر خاصیت مغناطیسی زیادی که دارند نسبت به سایر نانوذرات مغناطیسی بیشتر مورد استفاده قرار میگیرند.[1] امکان کنترل سیال از طریق یک نیروی محرکه خارجی مهمترین مزیت در تکنولوژی سیالات مغناطیسی محسوب میگردد.
این مزیت نسبی باعث شده است که کاربردهای بالقوه فراوانی برای این تکنولوژی یافت شود. با توسعه فناوریها در مقیاس میکرو و نانو کاربردهای متنوعی برای سیالات مغناطیسی مطرح شده است از آن جمله میتوان به انتقال دارو[2]، درمان سرطان[3]، پمپهای میکروفلوید[5 ,4] و جداکنندههای مغناطیسی[6] اشاره نمود. در کاربردهایی که از یک قطره به عنوان حامل دارو و یا زمینه واکنش استفاده میشود، کنترل و هدایت قطره اهمیت فوقالعادهای خواهد داشت. روشهای متعددی برای کنترل رفتار قطرات مایع توسط محققین توسعه داده شده است.
رفتار قطره را میتوان توسط گرادیان شیمیایی، ترموکپیلاری، و نیروهای الکترواستاتیک و مغناطیسی کنترل نمود.[7] مزیت میدان مغناطیسی در مقایسه با سایر نیروهای محرکه نظیر میدان الکتریکی در این است که میدان مغناطیسی از بیرون سیال و به صورت غیر مستقیم اعمال می-گردد و نیز تحت تاثیر پارامترهایی نظیر میزان یون و یا PH موجود در سیال قرار نمیگیرد.[8]
در مرجع[9] از نیروی مغناطیسی حاصل از یک میدان غیر یکنواخت برای کنترل رفتار قطره سیال مغناطیسی استفاده شده است. در این مطالعه نشان داده شده که قطره مغناطیسی تحت تاثیر میدان، دچار تغییر شکل میگردد. همین نویسندگان در کار جدیدتر خود از میدان مغناطیسی یکنواخت استفاده کردهاند تا اثر آن را بر روی تغییر شکل قطره بررسی نمایند.[10]
تمامی مطالعات آزمایشگاهی نشان داده است که رفتار دینامیکی قطره مغناطیسی را میتوان در حضور میدان با کوپل اثرات میدان مغناطیسی و جریان سیال کنترل کرد اما همچنان دانش جامع و کاملی در مورد مکانیسم دقیق این پدپده وجود ندارد.[11] با توجه به توسعه سختافزارهای محاسباتی و همچنین توسعه روشهای عددی برای شبیهسازی پدیدههای فیزیکی، میتوان از شبیهسازی عددی برای مطالعه رفتار قطره مغناطیسی و اثر همزمان میدان مغناطیسی و جریان سیال بهره گرفت.
تشکیل امولسیونهای آب در نفت یکی از معضلات همیشگی صنعت نفت بوده است که از فرایندها و روش-های مختلفی برای شکستن این امولسیونها بهره گرفته میشود. استفاده از میدان الکتریکی یکی از روش-های رایج در این زمینه بوده است اما به دلیل محدودیتها و خطراتی که استفاده از میدان الکتریکی دارد، محققین به فکر استفاده از میدان مغناطیسی به عنوان جایگزین افتادهاند. به عنوان مثال اُدر و همکاران ,5] [6 سامانهی آزمایشگاهی را پیشنهاد دادهاند که میتوان از میدان مغناطیسی برای شکستن امولسیونهای آب و نفت استفاده نمود.
در سامانهی پیشنهادی با پخش کردن ذرات نانومغناطیس قابل حل در آب، قطرات پراکنده خاصیت مغناطیسی پیدا میکنند که با اعمال میدان مغناطیسی این قطرات به سمت هم جذب می-شوند و در اثر برخورد و ائتلاف1قطرات بزرگتر تشکیل میشود که این قطرات با سرعت بیشتری تهنشین میگردند. مکانیسم اصلی در این روش ائتلاف قطرات تحت تاثیر میدان مغناطیسی میباشد.
از این رو در مطالعه حاضر به شبیهسازی فرایند ائتلاف قطرات مغناطیسی تحت تاثیر میدان مغناطیسی یکنواخت پرداخته شده است. برای این منظور ابتدا چهارچوب محاسباتی و معادلات حاکم برای مدلسازی استخراج شده و با استفاده از روشهای عددی تغییر شکل قطره تحت تاثیر میدان بررسی شده است و با نتایج تجربی مقایسه گردیده است. پس از اعتبار سنجی روش، ائتلاف دو قطره تحت تاثیر میدان مغناطیسی شبیهسازی شده است و اثر پارامترهای مختلف بر روی این پدیده بررسی گردیده است.
1-1 تعیین فصل مشترک
تعیین فصل مشترک همواره یکی از چالشهای مهم در شبیهسازی جریانهای پیچیده سیال دوفازی می-باشد. در دهههای اخیر چندین روش برای تعیین فصل مشترک توسعه داده شده است. روشهایی نظیر VOF، Level Set، front tracking و Lattice Boltzmann از جمله پرکاربردترین روشهایی هستند که در منابع علمی گزارش شدهاند و در نرمافزارهای تجاری مورد استفاده قرار گرفتهاند.[12] دو روش Level Set و VOF نسبت به سایر روشها کاربرد و توسعه بیشتری داشتهاند و هرکدام مزایا و معایب مختص خود را دارند.
روش VOF اصل بقای جرم را به خوبی در فصل مشترک براورده میکند اما در عوض برای سیستم-های پیچیده نمیتواند یکنواختی فصل مشترک را رعایت کند. چون که در این روش محاسبه بردار نرمال و انحنای فصل مشترک با خطا همراه است. از طرف دیگر روش Level Set دقت خوبی در محاسبه بردار نرمال و انحنای فصل مشترک دارد و از این رو فصل مشترک را به صورت یکنواخت و دقیق پیشبینی میکند اما مشکل اصلی این روش عدم موانه جرم در فصل مشترک میباشد.
برای برطرف کردن نقاط ضعف هر کدام از این روشها، تکنیکهای مختلفی پیشنهاد شده است. یکی از تکنیکهای پیشنهادی که به خوبی توانسته این نقاط ضعف را بهبود دهد دهد، کوپل دو روش VOF و Level Set میباشد. کوپل دو روش باعث میشود که نقاط ضعف دو روش برطرف گردد اما کوپل این دو روش علاوه بر پیچیدگی که دارد، از لحاظ محاسباتی نیز بسیار زمانبرتر میشود.
در کوپل کامل دو روش که به نام CLSVOF شناخته میشود، محاسبات مربوط به تعیین فصل مشترک دو بار انجام میشود که این امر باعث سنگین شدن محاسبات میگردد. یک مدل سادهتر از همین روش در مراجع معرفی شده است به نام S-CLSVOF که در این روش معادلات مربوط به فصل مشترک فقط یک بار حل میگردند و فقط از تابع Level Set برای این منظور استفاده میشود. مزیت روش S-CLSVOF در این است که ضمن کاهش زمان محاسبات دقت بهتری در محاسبه فصل مشترک دارد.
شایان ذکر است که در بیشتر مطالعاتی که در زمینه شبیهسازی اثر میدان مغناطیسی بر روی قطرات مایع انجام گرفته از مدل VOF استفاده شده است. با توجه به اینکه در فصل مشترک سیستمهای شامل قطره مغناطیسی یک تغییر ناگهانی در خواصی نظیر دانسیته، ویسکوزیته و مغناطیسپذیری مواد رخ میدهد تعیین دقیق فصل مشترک پیچیدگی بیشتری نسبت به حالت بدون میدان مغناطیسی خواهد داشت. در این مطالعه برای محاسبه فصل مشترک از دو روش VOF و مدل ساده کوپل شده VOF و Level Set یعنی روش S-CLSVOF برای تعیین فصل مشترک استفاده شد. مقایسه نتایج شبیهسازیها با نتایج تجربی موجود در مقالات نشان داد که روش SCLSVOF دقت بهتری برای تعیین فصل مشترک دارد.
