پژوهش آب ایران

پژوهش آب ایران

شبیه‌سازی و بررسی عوامل مؤثر بر رفتار جریان در لوله‌ای با دیواره متخلخل

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان
1 - دانشجوی دکترای رشته مهندسی مکانیک بیوسیستم، دانشکده کشاورزی، دانشگاه شهرکرد
2 گروه مهندسی مکانیک بیوسیستم، دانشکده کشاورزی، دانشگاه شهرکرد
3 گروه مهندسی مکانیک، دانشکده فنی و مهندسی، دانشگاه شهرکرد.
4 گروه مهندسی مکانیک بیوسیستم، دانشکده کشاورزی، دانشگاه شهرکرد.
چکیده
محیط متخلخل از خلل و فرجی تشکیل شده است که می‌توانند مانند فیلتر در فرآیند جداسازی مواد عمل کنند. شبیه‌سازی رفتار جریان در محیط متخلخل موجب درک بهتری از فرآیند فیلتراسیون می‌شود. بنابراین هدف این پژوهش، بررسی عوامل مؤثر بر جریان عبوری سیال از لولهای با دیواره متخلخل است. شبیه‌سازی این لوله متخلخل به صورت عددی با روش دینامیک سیال محاسباتی در نرم‌افزار Ansys Fluent انجام شده است. برای تحلیل نتایج از معادلات کوپل شده ناویر استوکس و دارسی در لوله متخلخل استفاده شد. نتایج نشان داد که عدد رینولدز تأثیر قابل‌توجهی بر عملکرد جریان در لوله متخلخل دارد. زمانی که عدد رینولدز مرتبط با تراوش سیال از دیواره متخلخل برابر با صفر بود، پروفیل سرعت جریان عبوری از لوله در شبیه‌سازی و داده‌های حاصل از منبع علمی دیگر تطابق خوبی داشتند. همچنین، در عدد رینولدز 1/0، اختلاف بین دو حالت تنها 03/0 درصد بود که نشان‌دهنده دقت بالای شبیه‌سازی و اعتبارسنجی مناسب نتایج است. همچنین بررسی اثر ضخامت‌های مختلف دیواره لوله، تخلخل و طول لوله بر پروفیل سرعت نشان داد ضخامت دیواره لوله و اعمال تخلخل‌های مختلف از 2/0 تا 8/0 برخلاف عدد رینولدز اثر معنی‌داری بر رفتار جریان سیال از لوله ندارد و با اعمال طول‌های مختلف لوله از 6/0 تا 4/2 متر مشخص شد با افزایش طول لوله اختلاف سرعت جریان بین نواحی نزدیک به دیواره و محور لوله کاهش یافته و در مجموع، سرعت جریان کاهش می‌یابد. در لوله‌ با دیواره نفوذناپذیر، کاهش سرعت در نزدیکی دیواره بیشتر است، در حالی که در لوله با دیواره متخلخل، جریان تراوشی از دیواره باعث ایجاد نیروی جبرانی شده و از افت شدید سرعت جلوگیری می‌کند .همچنین، برخلاف عدد رینولدز، ضخامت‌های مختلف دیواره لوله بر پروفیل سرعت و رفتار جریان سیال، تأثیر قابل‌توجهی ندارد.
کلیدواژه‌ها

1.     Belhouideg, S. and Lagache, M., 2015. Experimental Determination of the Mechanical Behaviour of Compacted Exfoliated Vermiculite. Journal of Strain, 51, 101-109. https://doi.org/10.1111/str.12125 
 
2.     Bense, V. F, Gleeson, T., Loveless, S. E., Bour, O. and Scibek, J., 2013. Fault Zone Hydrogeology. Journal of Earth-Science Reviews, 127, 171-192. https://doi.org/10.1016/j.earscirev.2013.09.008
 
3.     Kamar, I., Sattari, M., Mohammadi, A. H. and Ramjugernath, D., 2015. Reliable Method for the Determination of Surfactant Retention In Porous Media During Chemical Flooding Oil Recovery. Fuel, 158, 122-128. https://doi.org/10.1016/j.fuel.2015.05.013
 
4.     Vial, D. and Doussau, G., 2003a. Water treatment by ultrafiltration: Application to drinking water and wastewater. Journal of Membrane Science, 213(1-2), PP. 1-12. https://doi.org/10.2166/wst.1994.0631
 
5.     Bui, K., Dick, R., Moulin, G. and Galzy, P., 1998. Partial Concentration of Red Wine by Reverse Osmosis. Journal of Food Science, 53, 647-648.  https://doi.org/10.1111/j.1365-2621.1988.tb07776.x
 
6.     Peydayesh, M., Mohammadi, T. and Bakhtiari O., 2018. Effective treatment of dye wastewater via positively charged TETA-MWCNT/PES hybrid nanofiltration membranes. Separation and Purification Technology, 194, 488-502. https://doi.org/10.1016/j.seppur.2017.11.070
 
7.     Hermans, S., Mariën, H., Goethem, C. V. and Vankelecom, I. F., 2015. Recent developments in thin film (nano) composite membranes for solvent resistant nanofiltration. Current Opinion in Chemical Engineering, 8, 45-54. https://doi.org/10.1016/j.coche.2015.01.009
 
8.     Liu, J., Ju, Y., Zhang, Y. and Gong, W., 2019. Preferential paths of airwater two-phase flow in porous structures with special consideration of channel thickness effects. Scientific reports, 9(1), 1-13. https://doi.org/10.1038/s41598-019-52569-9
 
9.     Bansal, S., von Arnim, V., Stegmaier, T. and Planck, H., 2011. Effect of fibrous filter properties on the oil-in-water-emulsion separation and filtration performance. Journal of Hazardous materials, 190(1-3), 45-5. https://doi.org/10.1016/j.jhazmat.2011.01.134
 
10. Sussman, N. L., Gislason, G. T., Conlin, C. A. and Kelly, J. H., 1994. The Hepatix Extracorporeal Liver Assist Device: Initial Clinical Experience. Artificial Organs, 18, PP. 390-396. https://doi.org/10.1111/j.1525-1594.1994.tb02221.x
 
11. Moussy, Y., 2000. Bioartificial kidney, II, A Convective Flow Model of a Hollow Fiber Bioartificial Renal tubule, Journal of Biotechnology and Bioengineering, 68, 153. https://doi.org/10.1002/(sici)1097-0290 (20000420)68:2<153::aid-bit4>3.3.co;2-b
 
12. Moussy, Y., 2003. Convective Flow Through a Hollow Fiber Bioartificial Liver. Journal of Artificial Organs, 27, 1041-1049. https://doi.org/10.1046/j.1525-1594.2003.07074.x
 
13. Vial, D. and Doussau, G., 2003b. The Use of Microfiltration Membranes for Seawater Pre-treatment Prior to Reverse Osmosis Membranes. Journal of Desalination, 153, 141-147. https://doi.org/10.1016/s0011-9164(02)01115-3
 
14. Bui, K., Dickey, M. D., and Girard F., 1994. Applications of porous media in food and beverage processing. Journal of Food Engineering, 22(1-4), 1-20. https://doi.org/10.1007/978-1-4615-2674-2_214
 
15. Girard, B. and Fukumoto, L. R., 2000. Membrane Processing of Fruit Juices and Beverages: A Review. Critical Reviews in Food Science and Nutrition, 40, 91-157. https://doi.org/10.1080/10408690091189293
 
16. Berman A. S., 1953. Laminar Flow in Channels with Porous Walls. Journal of Applied Physics, 24. https://doi.org/10.1063/1.1721476
 
17. Yuan, S. W. and Finkelstein, A. B., 1956. Laminar flow with injection and suction through a porous wall. Trans ASME, 78, 719-724. https://doi.org/10.1115/1.4013794
 
18. Brady, J. F., 1984. Flow development in a porous channel and tube. Physics of Fluids, 27, 1061-1067. https://doi.org/10.1063/1.864735
 
19. Schmitz, P. and Prat, M., 1995. 3-D Laminar stationary flow over a porous surface with suction: Description at pore level. AIChE Journal, 41, 2212-2226. https://doi.org/10.1002/aic.690411005
 
20. Moussy, Y. and Snider, A. D., 2009. Laminar flow over pipes with injection and suction through the porous wall at low Reynolds number. Journal of Membrane Science, 327, 104-107. https://doi.org/10.1016/j.memsci.2008.11.018
 
21. Blatt, W. F., Dravid, A., Michaels, A. S. and Nelson, L., 1970. Solute Polarization and Cake Formation in Membrane Ultrafiltration: Causes, Consequences and Control Techniques. Membrane Science and Technology. Springer. 246p. https://doi.org/10.1007/978-1-4684-1851-4_4
 
22. Galowin, L. S., Fletcher, L. S. and Santis, M. J., 1974. Investigation of laminar flow in a porous pipe with variable wall suction, AIAA Journal, 12, 1585-1589. https://doi.org/10.2514/3.49549
 
23. Belfort, G., 1984. Fluid mechanics in membrane filtration: Recent developments. Journal of Membrane Science, 40, 123-147. https://doi.org/10.1016/0376-7388(89)89001-5
 
24. Blunt, M., King, M. J. and Scher, H., 1992. Simulation and theory of two-phase flow in porous media. Physical review letters, 46, 7680-7686. https://doi.org/10.1103/physreva.46.7680
 
25. Nassehi, V., 1998. Modelling of combined Navier-Stokes and Darcy flows in crossflow membrane filtration. Chemical Engineering Science, 53. https://doi.org/10.1016/s0009-2509(97)00443-0
 
26. Gharibi, F. and Ashrafizaadeh, M., 2020. Darcy and inertial fluid flow simulations in porous media using the non-orthogonal central moments lattice Boltzmann method. Journal of Petroleum Science and Engineering, 194, 107572. https://doi.org/10.1016/j.petrol.2020.107572
 
27. Belhouideg, S., 2017. Modeling and Numerical Simulation of Fluid Flow in a Porous Tube with Parietal Suction. Contemporary Engineering Sciences, 10(9), 447–456. https://doi.org/10.12988/ces.2017.7330
 
28. Shames, I. H., 2017. Mechanics of Fluid. 5th edition. CRC Press.
 
29. Bear, J., 2013. A review of Darcy,s Low and it,s application in porous media. Transport in Porous Media, 98(1), 1-26. https://doi.org/10.1007/s11242-013-0170-x
 
30. Fetter, C. W., 2018. Applied Hydrogeology (4th ed.). Waveland Press. Long Grove. Illinois, 616 p.
 
31. Hazen, A., 1892. Some physical properties of sands and gravels, with special reference to their use in filtration. Massachusetts State Board of Health. Annual Report, 24, 539-556. https://doi.org/10.4159/harvard.9780674600485.c25
 
32. Belhouideg, S., 2017. Study of water percolation in porous tubes. Journal of Hydrology and Hydromechanics, 65(3), 237-245. https://doi.org/10.1515/johh-2017-0030
 
33. Belhouideg, S., and Lagache, M., 2014. Prediction of the effective permeability coefficient in random porous media using the finite element method. Journal of Porous Media, 17, 819-830. https://doi.org/10.1615/jpormedia.v17.i9.60
 
34. White, F. M., 2011. Fluid Mechanics, 7th ed. New York, NY, USA: McGraw-Hill, 345p.
 
35. Fox, R.W., McDonald, A. T. and Pritchard, P.J., 2015. Introduction to Fluid Mechanics, 9th ed. Hoboken, NJ, USA: Wiley, PP .290.
 
36. Kaviany, M., 1995. Principles of Heat Transfer in Porous Media. New York, NY, USA: Springer. 150 p.
 

  • تاریخ دریافت 23 آذر 1403
  • تاریخ پذیرش 11 اسفند 1403
  • تاریخ انتشار 01 فروردین 1404