آیا می توانید از انتقال حرارت برای پیش بینی مهاجرت آلاینده ها استفاده کنید؟
جریان سیال از طریق یک محیط متخلخل معمولاً توسط قانون دارسی توصیف می شود. با این حال، اگر بخواهید ترکیبی از جریان سیال، انتقال حرارت و انتقال جرم در یک محیط متخلخل را بررسی کنید، چه؟ به جای استفاده از قانون دارسی، که یک سرعت خطی متوسط را برای جریان سیال در محیط متخلخل محاسبه می کند، معادلات ناویر-استوکس برای به دست آوردن نتایج دقیق ضروری است. علاوه بر این، جابجایی و هدایت گرما و همچنین انتقال جرم باید در نظر گرفته شود. محققان دانشگاه جورج آگوست در گوتینگن تصمیم گرفتند دقیقاً چنین شبیه سازی را برای تجزیه و تحلیل این سیستم پیچیده چندفیزیکی ایجاد کنند و به این سؤال پاسخ دهند: آیا می توان انتقال جرم در محیط متخلخل را زمانی پیش بینی کرد که تنها اطلاعات موجود در مورد یک سیستم انتقال حرارت باشد؟ و بالعکس؟
شکل 1. مثال معمولی از جریان سیال شبیه سازی شده از طریق محیط متخلخل.
رنگ ها نشان دهنده بزرگی سرعت (قرمز = زیاد، آبی = کم) هستند که با استفاده از
معادلات ناویر-استوکس محاسبه می شود.
یک افت فشار از سمت راست به چپ میدان جریان اعمال شده است . تصویر ارائه شده توسط: E. Holzbecher, S. Oehlmann,
Georg-August University Göttingen.
انتقال جرم، انتقال حرارت و جریان سیال در محیط متخلخل
هنگام مطالعه حمل و نقل در محیط متخلخل، انتقال گرما و جرم اغلب به منظور درک رفتار آنها در هر دو سیستم متخلخل طبیعی و مصنوعی مقایسه می شود. تجزیه و تحلیل انتقال حرارت، انتقال جرم، و جریان سیال در یک محیط متخلخل کاربردهای زیادی دارد، از مطالعات مخازن زمین گرمایی و بافتهای بیولوژیکی گرفته تا مهندسی نفت و اصلاح زیستی. محققان دانشگاه جورج آگوست در گوتینگنیک شبیهسازی برای مطالعه انتقال حرارت به انتقال جرم در محیطهای متخلخل و ارائه تصویر واضحتری از رابطه آنها ایجاد کرد که میتواند در بسیاری از این حوزههای کاربردی مورد استفاده قرار گیرد. آنها پیشنهاد کردند که اگر یک رابطه قابل اندازه گیری وجود داشته باشد، استفاده از ردیاب ها را برای پیش بینی جریان گرما در یک محیط متخلخل امکان پذیر می کند. برعکس، می تواند انتقال حرارت را به عنوان شاخصی از جریان آلاینده ها، مواد مغذی و سایر مواد از طریق محیط متخلخل استفاده کند. برای تعیین اینکه آیا این رابطه وجود دارد یا خیر، آنها یک شبیهسازی با جزئیات این فعل و انفعالات ایجاد کردند و نتایج آنها رفتار یکنواختی را برای انتقال حرارت و انتقال جرم در محیطهای متخلخل در مقیاسهای مختلف نشان میدهد.
شبیه سازی گرما و انتقال جرم در محیط متخلخل
هنگام تنظیم شبیهسازی خود در COMSOL Multiphysics، محققان دانشگاه جورج آگوست هندسهای با طولهای متغیر (L) بین 1 میلیمتر تا 100 میلیمتر و تخلخل در مقیاس میلیمتر به dm انتخاب کردند و فضاهای منافذ مربوطه را در محدوده میکرومتر باقی گذاشتند. علاوه بر این، محققان خاطرنشان کردند که در محیط های متخلخل در مقیاس میکرو، انتقال حرارت و انتقال جرم از دو جنبه عمده متفاوت است. اول، انتقال حرارت در هر دو فاز سیال و جامد صورت می گیرد، در حالی که انتقال جرم فقط در فضای منافذ امکان پذیر است. دوم، پارامترهای گرما و انتشار جرم با ضریب 103 متفاوت است، و بنابراین عدد لوئیس به عنوان انتشار حرارتی / انتشار مولکولی داده می شود. هر دوی این عوامل در مدل در نظر گرفته شد. محیط متخلخل به صورت دو بعدی ساخته شد و از یک مولد اعداد تصادفی برای تعیین موقعیت و اندازه منافذ استفاده شد. هندسه به طور تصادفی با کره های غیر متقاطع پر شد تا زمانی که تخلخل خاصی به دست آمد. شبیه سازی برای دو طول مختلف L=0.001 متر و L=0.01 متر اجرا شد.
قبل از تجزیه و تحلیل انتقال گرما و جرم در محیط متخلخل، یک تحلیل جریان سیال در فضای حفره محاسبه شد که مسیرهای جریان ترجیحی جریان سیال در محیط متخلخل را نشان داد. یک خروجی معمولی برای این مطالعه در شکل 1، بالا نشان داده شده است.
سپس، محققان شبیه سازی حمل و نقل انبوه را اجرا کردند. شکل 2 و 3 نتایج را برای دو هندسه مختلف نشان می دهد. عکس های فوری زمانی گرفته شد که جرم بیشتر در نزدیکی مرکز هندسه متمرکز شده بود.
![]() | ![]() |
شکل 2. توزیع غلظت برای حمل و نقل جرم در طول L=0.001 متر. عکس فوری در t=800 ثانیه. تصویر ارائه شده توسط: E. Holzbecher, S. Oehlmann, Georg-August University Göttingen. | شکل 3. توزیع غلظت برای انتقال جرم در طول L=0.1 متر. عکس فوری در t=230 ثانیه. تصویر ارائه شده توسط: E. Holzbecher, S. Oehlmann, Georg-August University Göttingen. |
همانطور که شبیه سازی ها نشان می دهد، تفاوت قابل توجهی در حمل و نقل جرم برای دو هندسه با اندازه های مختلف وجود دارد. در هندسه کوچکتر، که در شکل 2 نشان داده شده است، انتقال جرم تا حد زیادی همگن است، بدون مسیرهای جریان ترجیحی واضح. با این حال، در هندسه بزرگتر (شکل 3)، مسیرهای جریان ترجیحی وجود دارد که در آن جرم متمرکز می شود. بنابراین، فرارفت بر حمل و نقل جرم در هندسه های بزرگتر غالب است. محققان پیشنهاد می کنند که این پدیده به دلیل این واقعیت است که میانگین طول منافذ فضایی در هندسه بزرگتر افزایش یافته است. این همچنین توضیح می دهد که چرا زمان سفر برای سیستم بزرگتر در مقایسه با سیستم کوچکتر (t = 800 ثانیه) کوتاهتر است (t=230).
محققان در ادامه به انتشار دما در این دو سیستم پرداختند. نتایج در شکل های زیر نشان داده شده است:
![]() | ![]() |
شکل 4. توزیع دما برای انتقال حرارت در طول L=0.001 متر; عکس فوری در t=1 ثانیه. تصویر ارائه شده توسط: E. Holzbecher, S. Oehlmann, Georg-August University Göttingen. | شکل 5. توزیع غلظت برای انتقال حرارت در طول L=0.1 متر; عکس فوری در t=500 ثانیه. تصویر ارائه شده توسط: E. Holzbecher, S. Oehlmann, Georg-August University Göttingen. |
در شکل 4، یک جبهه حرارتی را می بینیم که با سرعتی مستقل از توزیع منافذ حرکت می کند. در این سیستم، زمان سفر برای جلو به طور قابل توجهی کمتر از زمان سفر برای حمل و نقل انبوه در سیستم مربوطه است. محققان دریافتند که نسبت بین زمانهای سفر تقریباً سه مرتبه کوتاهتر است که با نسبت انتشار که با عدد لوئیس اندازهگیری میشود مطابقت دارد.
در سیستم بزرگتر (شکل 5)، انتقال حرارت تحت سلطه همرفت است ، همانطور که انتقال جرم در سیستم بزرگتر (شکل 3) تحت سلطه فرارفت است. شکل 5 نشان می دهد که انتقال حرارت از مسیرهای جریان ترجیحی پیروی می کند که بر انتقال جرم تأثیر می گذارد. در این سیستم، زمان سفر با طول L سیستم مطابقت دارد و زمان سفر بیشتر از هندسه کوچکتر است.
از این یافتهها، محققان به این نتیجه رسیدند که برای مقیاس طولی کمتر از 1 میلیمتر، زمانی که سیستم تحت سلطه نفوذ است، انتقال جرم بسیار کندتر از انتقال گرما است. با این حال، در مقیاس بزرگتر، انتقال حرارت در مقایسه با انتقال جرم کندتر است.
بیشتر خواندن
- دانلود مقاله کامل: ” مقایسه انتقال گرما و جرم در مقیاس خرد “
- مقالات بیشتری را از صفحه وب ارائههای کاربر کنفرانس COMSOL 2012 بررسی کنید
- لینک دانلود به صورت پارت های 1 گیگابایتی در فایل های ZIP ارائه شده است.
- در صورتی که به هر دلیل موفق به دانلود فایل مورد نظر نشدید به ما اطلاع دهید.
برای مشاهده لینک دانلود لطفا وارد حساب کاربری خود شوید!
وارد شویدپسورد فایل : پسورد ندارد گزارش خرابی لینک
دیدگاهتان را بنویسید