بررسی عددی جریان دوفاز گاز - ذرات در رژیم مولکولی آزاد
چکیده
در این تحقیق جریان مولکولی آزاد در محیط متخلخل، کانال زبر و حول نانوذرات شبیه سازی شده است که در تکنولوژی مدرن دارای کاربردهای فراوانی می باشد. در علم سیالات، توجه فراوانی به جریان مولکولی آزاد شامل جریان های رقیق در کانال ها و جریان در مقیاس نانو و میکرو شده است. در این رژیم جریان، انتقال گاز در کانال به برخورد گاز با دیواره کانال وابسته است و هیچ برهم کنشی بین مولکو های گاز وجود ندارد. انتقال انواع گازها و ترکیبات فرار از میان محیط متخلخل در کاربردهای صنعتی بسیار حائز اهمیت است. در قسمت اول اثر تخلخل زبری سطح بر روی رژیم مولکولی آزاد بررسی شده است. روش ذره نمونه مونت کارلو (tpmc) طبق روابط موجود استفاده شده است. محیط متخلخل و زبری با استفاده کره مدل شده است. در اینجا اثر تخلخل ( نسبت حجم خالی محیط متخلخل به حجم کل مجرا)، اندازه کره ها (pore size)، هندسه محیط متخلخل، نوع گاز عبوری و دمای محیط بر روی کانداکتانس مورد بررسی قرار گرفته است. شبیه سازی برای لوله و نازل متخلخل و زبر انجام شده است.در قسمت دوم شبیه سازی جریان مولکولی آزاد اطراف نانوذره کروی انجام شده است. در اعداد نادسن کوچک (رژیم پیوسته) و رینولدزهای پایین، مقاومت اصطکاکی ذرات در جریان با استفاده از رابطه استوکس بدست می آید که با فرض عدم لغزش روی سطح ذره حاصل می شود. به هرحال، در نادسن های بالا، این فرض درست نخواهد بود و انحراف از رژیم پیوسته با استفاده از ضریب تصحیح لغزشی یا کانینگهام بدست می آید. در کار حاضر، نیروهای آئرودینامیکی وارد بر نانوذرات در فشارهای پایین انجام شده است تا عدم سازگاری تئوری کلاسیک در فشارهای پایین و جریان های رقیق مشخص شود. از دینامیک مولکولی گاز برای بررسی آئرودینامیکی نانوذرات استفاده شده است. از یک فرمول تجربی برای تابع تطابق ممنتوم استفاده شده است. نتایج بدست امده برای ذرات با اندازه 1 نانومتر هم درست می باشد. نتایج عددی با کارهای قبلی مقایسه شده است و توافق بسیار خوبی حاصل شده است. نتایج شبیه سازی نشان می دهد که علاوه بر عدد نادسن، عدد ماخ نیز ضریب تصحیح کانینگهام را تحت تاثیر قرار می دهد. درقسمت سوم اثر مشخصات وابسته به دمای سیال و طول مشخصه بر روی ضریب درگ و شار گرمایی یک نانوذره کروی در جریان مولکولی آزاد مورد بررسی قرار گرفته است. مشخصات گاز مانند ویسکوزیته، چگالی، ضریب هدایت و مسیر پویش آزاد با دما بصورت متغیر در نظر گرفته می شوند. پرش دمایی در محل تداخل گاز-ذره در رژیم مولکولی آزاد در نظر گرفته می شود. اثر مشخصات متغیر گاز با دما و عدد نادسن بر روی ممنتوم و انتقال حرارت بررسی شده است. بعلاوه اثر نوع بازتابش مولکول از سطح نانوذره و پرش دما انتقال حرارت را تحت تاثیر قرار می دهد. اگر بازتابش مولکول از سطح دیفیوژ کامل باشد بیشترین انتقال حرارت و اگر آینه ای کامل باشد میزان انتقال حرارت صفر می شود که با استفاده از تابع تطابق ممنتوم (? ) میزان دیفیوژ یا آینه ای بودن مشخص خواهد شد. همچنین پرش دمایی بالا میزان انتقال حرارت را به دلیل کاهش گرادیان دمایی کاهش می دهد. بنابراین چشم پوشی از پرش دمایی موجب بیش-برآورد در میزان انتقال حرارت خواهد شد.