master's thesis
Jovana Đurđević (Avtor), Igor Plazl (Mentor), Urška Šebenik (Član komisije za zagovor), Rok Ambrožič (Član komisije za zagovor), Tomaž Urbič (Komentor)

Povzetek

Over the last decades, the Lattice Boltzmann method has been shown to be a powerful tool for numerical simulations of fluid dynamics systems, primarily because of its ability to capture macroscopic as well as microscopic behavior. The Lattice Boltzmann method has introduced an exceptional and innovative approach with interface monitoring of multiphase systems, which is why it is preferred option when dealing with segmented fluid flows. In this work, the aim was to research the parameters contributing to the segmentation of a two-phase liquid flow. Segmented flow regime is characterized by the formation of practically pure dispersed phase segments detectable in a continuous phase in a two-phase fluid flow. The model used for the segmented flow research performs on the fundamental principles of thermodynamics. The fluid flow is driven by differences in chemical potential, with inclusion of the independently manageable parameters representing diffusion coefficient, viscosity and surface tension. The experimental part of the thesis was carried out with undertaken code. The system was set into the two-dimensional square-shaped microchannel, with accordingly adjusted bounce-back and periodic boundary conditions. The system chosen for interpretation of the experiment was methyl diethylamine with water, whose activity coefficients were accordingly included using the three-suffix Margules equation. The first part of the experiment was carried out through the study of molar fraction distribution on ten cases. Each case stands for the set of parameters for diffusion coefficient and viscosity. For eight out of ten cases the results at equilibrium were within expectations. Among ten cases, two turned out to be inadequate for the certain model to simulate and were not included in the results and therefore were not discussed, while one showed turbulent flow tendencies and was chosen for further research. The second part was carried onto three cases, chosen based on the results of the first part. Those three cases were subjected to velocity profile and interface monitoring by adjusting surface tension parameter. Two out of three cases showed predicted behavior with surface energy increase, while the one that showed turbulent tendencies, proved to be under conditions which were unsuitable for development of stabile flow.

Ključne besede

two-phase flow;segmented flow;Lattice Boltzmann method;

Podatki

Jezik: Angleški jezik
Leto izida:
Tipologija: 2.09 - Magistrsko delo
Organizacija: UL FKKT - Fakulteta za kemijo in kemijsko tehnologijo
Založnik: [J. Đurđević]
UDK: 66.02(043.2)
COBISS: 220428547 Povezava se bo odprla v novem oknu
Št. ogledov: 25
Št. prenosov: 5
Ocena: 0 (0 glasov)
Metapodatki: JSON JSON-RDF JSON-LD TURTLE N-TRIPLES XML RDFA MICRODATA DC-XML DC-RDF RDF

Ostali podatki

Sekundarni jezik: Slovenski jezik
Sekundarni naslov: Obnašanje segmentiranega dvofaznega toka tekočin v mikrofluidni napravi
Sekundarni povzetek: Nemešljivi tekočinski sistemi predstavljajo eden od temeljnih vidikov na področju kemijskega inženirstva in industrijskih procesov. V zadnjih desetletjih se je izkazalo, da je mrežna Boltzmannova metoda močno orodje za numerične simulacije dinamičnih fluidnih sistemov, še posebej modeliranje kompleksnih interakcij tekočin v večfaznih sistemih. Temelji na diskretizaciji fluidne domene v mrežno in uporabi Boltzmannove enačbe kot funkcije porazdelitve delcev fluida. Predvsem zaradi svoje zmožnosti zajemanja kako makroskopskega tako tudi mikroskopskega obnašanja, je zelo primerna za preučevanje zapletene dinamike nemešljivih tekočin, vključno z učinki površinske napetosti, viskoznosti in difuzije na stabilnost faz ter njihovo separacijo. Mrežna Boltzmannova metoda je v numerično simuliranje uvedla izjemen in inovativen pristop k nadzorovanju medfazne površine, zaradi česar je prednostna izbira v obravnavi segmentiranih tokov tekočin. V tem magistrskem delu je bil cilj raziskati parametre, ki prispevajo k segmentaciji dvofaznega toka tekočin modeliranega s pomočjo mrežne Bolzmannove metode. Za režim segmentiranega toka je značilna tvorba segmentov praktično čiste dispergirane faze, ki jih je mogoče zaznati v kontinuirnem toku druge faze. Narava nemešljivih tekočin omogoča pojavo takšne separacije med tekočinami. Prisotnost segmentov vpliva na povečanje medfazne površine in s tem povečanje prenosa mase med fazami. Ta lastnost omogoča nadpovprečno kontrolo masnega prenosa v primerjavi z drugimi tokovnimi režimi kar je posebej izraženo v procesih kot je tekočinska ekstrakcija ali kemijske reakcije. Za osnove raziskave je bil uporabljen mrežni Bolzmannov model razvit s strain J. Parkerja. Model je bil razvit na temeljnih principih termodinamike. Tekočinski tok poganjajo razlike v kemijskem potencialu z vključitvijo neodvisno obvladljivih parametrov, ki predstavljajo difuzijski koeficient, viskoznost in površinsko napetost. Pravilna interpretacija tistih parametrov je ključna za doseganje optimizacije delovanja sistema. Difuzija služi kot regulator prenosa mase med nemešljivimi fazami dokler se kemijsko ravnotežje ne doseže. Brez nadzora difuzije, zagotavljanje stabilnosti sistema ni izvedljivo, sak nenadzorovana difuzija lahko povzroči mešanje na medfazi, kjer se srečata dve tekočini. Prav tako ustrezna regulacija viskoznosti omogoča vpogled v gladkost toka in separacijo faz. Površinska energija, imenovana tudi medfazna napetost, uravnava interakcije na medfazi, kar zagotavlja natančnejši nadzor sistema z vidika koalescence in s tem tudi velikosti segmentov. Poskusni del naloge je bil izveden na prevzeti kodi, ki temelji na omenjenem modelu. Sistem smo postavili v dvodimenzionalni mikrokanal kvadratne oblike z ustrezno prilagojenimi odbojnimi in periodičnimi robnimi pogoji. Ker model temelji na uporabi pristopa večkratnih relaksacijskih časov, je bil en del relaksacijskih časov prilagojen kot konstanta v skladu z navodili v analizi modela, pri čemer so ostali relaksacijski časi odvisni od vrednosti difuzijskega koeficienta in viskoznosti in so ostali kot spremenljivke. Za interpretacijo poskusa smo izbrali sistem metil dietilamina z vodo, katerega koeficiente aktivnosti smo ustrezno vključili s pomočjo Margulesove enačbe. Simuliranje dobljenih rezultatov je bilo izvedeno s uporabo orodja MatLab. Prvi del poskusa je bil izveden s preučevanjem porazdelitve molskih deležev na desetih primerih. Vsak primer je sestavljen iz parametra za difuzijski koeficient in parametra za viskoznost. Najbolj natančni rezultati so bili pridobljeni za parametre, ki so bili definirani v območju predlaganem s strani razvijalcev modela. Drugi primeri so kljub temu uspešno zajeli teoretično napovedano obnašanje. Med desetimi primeri sta se dva izkazala za neustrezna za določen simulacijski model, ter iz tega razloga nista bila vključena v rezultate in obravnavo, medtem ko je eden pokazal turbulentne tendence in je bil izbran za nadaljnje raziskave. Uporaba Margulesove enačbe za napoved koeficientov aktivnosti komponent se je izkazala za primerljivo, z neznatno večjimi odstopanji v primeru nižje vsebnosti komponente v fazi kot v primeru večjih vsebnosti. Drugi del poskusa je bil izveden na tri primera, ki so bili izbrani na podlagi rezultatov prvega dela. Ti trije primeri so bili podvrženi nadzoru hitrostnega profila in medfaze s prilagajanjem parametra površinske napetosti. Dva od treh primerov sta pokazala predvideno obnašanje s povečanjem površinske energije, medtem ko se je tisti, ki je v prvem delu pokazal težnje k turbulentnem obnašanju, izkazal v pogojih, ki niso bili primerni za razvoj stabilnega toka in doseganje ravnotežja. Stopnja stabilizacije sistema je močno odvisna od ravnovesja med difuzijskim koeficientom, viskoznostjo in površinsko napetostjo. Prihodnje raziskave lahko vključujejo uvedbo temperature, tlaka, zunanjih polj, uporabo alternativnih metod za določanje aktivnostnega koeficienta in razširitev področja zanimanja na mešljive tekočine.
Sekundarne ključne besede: dvofazni tok;segmentirani tok;mrežna Boltzmannova metoda;magistrska dela;Mikrofluidna tehnika;Mikrofluidne naprave;Kemijsko ravnotežje;Univerzitetna in visokošolska dela;
Vrsta dela (COBISS): Magistrsko delo/naloga
Študijski program: 1000376
Konec prepovedi (OpenAIRE): 1970-01-01
Komentar na gradivo: Univ. v Ljubljani, Fak. za kemijo in kemijsko tehnologijo, smer Kemijsko inženirstvo
Strani: 1 spletni vir (1 datoteka PDF (53 str.))
ID: 25535530