Loading...

Molecular Dynamic Simulation of Friction Reduction in Two-Phase Flows with Nanostructures and Study of the effect of Electric Field

Saleki, Omid | 2023

130 Viewed
  1. Type of Document: M.Sc. Thesis
  2. Language: Farsi
  3. Document No: 56076 (08)
  4. University: Sharif University of Technology
  5. Department: Mechanical Engineering
  6. Advisor(s): Kazemzadeh Hannani, Siamak; Moosavi, Ali
  7. Abstract:
  8. The use of superhydrophobic surfaces is one the most promising methods for reducing the friction and increasing the flow rate in fluid transfer systems. Since in such systems the surface structure plays a key role, in the first part of this study, the performance of the hierarchical nanostructures is explored. These nanostructures are inspired by the superhydrophobic surface of the lotus leaf. The flow is considered between two walls with hierarchical nanostructures and simulate the system via the molecular dynamics (MD) method. The size of the nanostructures and the distance between them have been studied to find whether a design with maximum flow rate exists. The nanostructures have two parts, a bigger part on the wall which is a half-sphere and a smaller part which is a cylinder on top of the bigger part. The effect of wall materials was also examined by considering four different materials, namely carbon, silicon and two other hypothetical materials. Also, a two-phase flow consisting of water and air have been simulated to study the effect of the trapped airs in the performance. The results show that in the design with minimum pressure drop, the slip length increases by 111\% and 101\% for the carbon-made walls and silicon-made, respecticely. In the second part, water flow between two carbon walls with nanostructures made of Poly(N-isopropylacrylamide) via the molecular dynamics method has been studied. The structure of this polymer can change based on the temperature of the environment, so that by increasing the temperature the structure becomes hydrophobic. This property has been studied and the effect of multiple factors on the slip length is presented. The effects of the number of monomers in the polymer, the distance between the polymers, and the temperature on the flow field are investigated. The results reveal that the slip length and the flow rate increase with the temperature but both have a maximum with respect to the distance between the polymers and the number of monomers. The results show that at the temperature of 340 K the slip length increases by 230\%. In the third part of the study, water pumping by spinning electric field is investigated. Water can be pumped in nanochannels by confining it between the surfaces with different hydrophobicities and exerting a spinning electric field. The asymmetrical hydrophobicity combined with the spinning electric field and the fact that the water molecules have a dipole moment create a situation in which the angular momentum of water molecules is transformed into a linear momentum and the water is pumped into the nanochannel. The hydrophobicity of the surfaces can be manipulated by using nanostructures to reduce friction. In this study, two types of nanostructures have been used which are hierarchical nanostructures and polymer nanostructures made of Poly(N-isopropylacrylamide). The walls of the nanochannel are grafted with nanostructures asymmetrically, i.e. the upper wall is flat while the bottom wall is grafted with nanostructures. This allows for the fluid in the nanochannel to be confined between the surfaces with different hydrophobicity and by applying the spinning electric field, a plane Poiseuille flow is created. The effects of the frequency and the amplitude of the spinning electric field on the behavior of the fluid have been investigated. Also, the effects of adding air to the flow for two-phase flow systems have been studied. The results reveal that the electric field can increase the flow rate by up to 475\%
  9. Keywords:
  10. Molecular Dynamic Simulation ; Flow Discharge ; Two Phase Flow ; Carbon ; Silicon ; Functionalized Graphene ; Superhydrophobic Surfaces ; Slip Length ; Hierarchical Nanostructures ; Friction Reduction ; Spinning Electric Field

 Digital Object List

 Bookmark

  • فهرست مطالب
  • فهرست جدول‌ها
  • فهرست شکل‌ها
  • فهرست علائم و اختصارات
  • مقدمه‌ای بر رساله
    • طول لغزش، مقیاس طول لغزش و کاهش اصطکاک
    • زاویه‌ی تماس ظاهری و لغزش مؤثر
    • پیوستگیِ محیط و محدوده‌ی کاربرد آن
    • پژوهش در زمینه‌ی دینامیک ملکولی
    • پژوهش حاضر
  • شبیه‌سازیِ دینامیک ملکولی
    • معرفیِ کلیِ دینامیک ملکولی
    • مدل N ذره
    • پتانسیل‌های درون ملکولی
      • پتانسیل کره‌ی سخت
      • پتانسیل چاه-مربع
      • پتانسیل یوکاوا
      • پتانسیل لنارد-جونز
      • پتانسیل کولمب
      • پتانسیل پیوند بین دو اتم هماهنگ
      • پتانسیل زاویه بین سه اتم
    • مدل‌های ملکولیِ آب
      • مدل SSD
      • مدل SPC
      • مدل SPC/E
      • مدل TIPnP
      • مقایسه‌ی مدل‌های مختلف
    • محاسبه‌ی نیروی وارد بر ذرات
    • معادلات حرکت
      • دینامیک نیوتنی
    • انتگرال گیری از قانون دوم نیوتن
      • روش تفاضل محدود
      • روش جهشی
      • الگوریتم ورله
      • الگوریتم ورله سرعتی
    • محاسبه‌ی متغیر‌های ماکروسکوپیک
      • دما
      • چگالی
      • فشار
      • توزیع سرعت
      • ضریب نفوذ
    • واحد‌های کاهیده
    • ترموستات‌ها
      • ترموستات برندسن
      • ترموستات نوز-هوور
    • انتخاب گام زمانی
    • شرایط مرزی و حالت اولیه
  • پیشینه‌ی پژوهش
    • مطالعات تحلیلی
      • اثر پارامتر‌های ساختاری بر طول لغزش
      • اثرات ثانویه روی طول لغزش
        • انحراف از شرایط ساده
        • جابجایی سطح مشترک
        • تغییر شکل سطح مشترک
        • جابجایی و تغییر شکل سطح مشترک
        • سطح مشترک با لغزش محدود
        • اثرات اضافه
      • مقایسه‌ی ساختار‌های نامنظم با ساختار‌های منظم
    • مطالعات تجربی
      • روش‌های اندازه‌گیریِ طول لغزش
      • لغزش اندازه‌گیری شده روی سطوح با ساختار منظم
        • جمع‌آوریِ داده‌های طول لغزش
        • دبی نسبت به افت فشار
        • اندازه‌گیریِ تنش برشی
        • بحث در مورد مطالعات تجربی
      • لغزش اندازه‌گیری شده روی سطوح با ساختار نامنظم
        • جمع‌آوریِ داده‌های طول لغزش
        • دبی نسبت به افت فشار
        • اندازه‌گیریِ تنش برشی
        • بحث در مورد مطالعات تجربی
    • مطالعات عددی
      • مطالعات عددی نانوساختارها
      • مطالعات عددی پلیمرها
      • مطالعات عددی اثر میدان الکتریکی
    • جمع بندیِ پیشینه‌ی پژوهشی
  • معرفی موضوع رساله
    • هدف از این پژوهش
    • اثر هندسه‌ی نانولوله بر کاهش اصطکاک
    • اثر دما بر آب‌گریزی سطح
    • اثر میدان الکتریکیِ خارجی
    • تعریف مسئله
    • مشخصات شبیه‌سازیِ دینامیک ملکولی
    • معرفی نرم‌افزار LAMMPS
    • مشخصات سخت‌افزار مورد استفاده
  • نتایج صحت سنجیِ مقالات با LAMMPS
    • لیو، 2016
    • فوکوشیما و همکاران، 2015
    • ین، 2015
    • ترتیاکوف و همکاران، 2013
    • والتر و همکاران،2010 و والتر و همکاران، 2012
  • کاهش اصطکاک روی سطوح با نانوساختار‌های سلسله مراتبی
    • مدل شبیه‌سازی شده
    • جزئیات شبیه‌سازی
    • اثر اندازه نانوساختار‌ها
      • دیواره‌ی کربنی
      • دیواره‌ی سیلیکونی
    • اثر فاصله‌ی بین نانوساختارها
    • اثر جنس دیواره
    • اثر جریان دوفازی
      • دیواره‌ی کربنی
      • دیواره‌ی سیلیکونی
    • اثر انعطاف‌پذیریِ نانوساختار‌ها
    • اثر آرایش نانوساختار‌ها
    • اثر شکل قسمت بزرگتر نانوساختار‌ها
    • صحت‌سنجیِ نتایج
  • کاهش اصطکاک روی سطوح با نانوساختار‌های پلیمر PNIPAAm
    • مدل شبیه‌سازی شده
    • جزئیات شبیه‌سازی
    • اثر تعداد مونومر
    • اثر فاصله‌ی بین پلیمر‌ها
    • اثر دمای سیال
    • اثر دوفازی
    • اثر نوع پلیمر مورد استفاده
  • کاهش اصطکاک روی سطوح دارای نانوساختار با اعمال میدان الکتریکی
    • مدل شبیه‌سازی شده
    • جزئیات شبیه‌سازی‌
    • نانوکانال با نانوساختارهای سلسله‌مراتبی
      • اثر دامنه‌ی میدان الکتریکیِ چرخان
      • اثر فرکانس میدان الکتریکیِ چرخان
      • جریان دوفازی
      • حساسیت‌سنجی نتایج
    • نانوکانال با نانوساختارهای پلیمری
      • اثر دامنه‌ی میدان الکتریکیِ چرخان
      • اثر فرکانس میدان الکتریکیِ چرخان
      • جریان دوفازی
      • حساسیت‌سنجی نتایج
  • جمع‌بندی و پیشنهاد‌ها
    • جمع‌بندیِ نتایجِ نانوساختار‌های سلسله مراتبی
    • جمع‌بندیِ نتایجِ نانوساختار‌های پلیمری
    • جمع‌بندیِ نتایجِ اعمالِ میدان الکتریکی
    • پیشنهادها
  • منابع و مأخذ
  • واژه‌نامه
...see more