شماره مدرك
20644
شماره راهنما
2400 دكتري
پديد آورنده
نادري، كيوان
عنوان
بررسي تأثير عوامل توليد بر ميكرو ساختار سهبعدي و عملكرد فيلترهاي هواي بيبافت سوزني با استفاده از روش تجربي و شبيهسازي ديناميك سيالات محاسباتي
مقطع تحصيلي
دكتري
گرايش تحصيلي
تكنولوژي نساجي
محل تحصيل
اصفهان : دانشگاه صنعتي اصفهان
سال دفاع
1404
صفحه شمار
هشت، 137ص. : مصور، جدول، نمودار
توصيفگر ها
فيلتر بيبافت , راندمان , افت فشار , فاكتور كيفيت , ميكرو پرتونگاري مقطعي رايانه¬اي , تخلخل , كسر حجمي جامد , آرايش يافتگي , ابعاد منافذ , ديناميك سيالات محاسباتي , شبيهسازي حقيقي و مجازي
تاريخ ورود اطلاعات
1404/08/14
كتابنامه
كتابنامه
رشته تحصيلي
مهندسي نساجي
دانشكده
مهندسي نساجي
تاريخ ويرايش اطلاعات
1404/08/18
كد ايرانداك
23177430
چكيده فارسي
در سالهاي اخير، رشد سريع صنايع و گسترش شهرنشيني به دليل توسعه اقتصادي باعث پيدايش طيف وسيعي از مشكلات زيستمحيطي ازجمله آلودگي هوا و منابع آب شده است. حذف يا كاهش اين آلايندهها مستلزم استفاده از فرآيندهاي فيلتراسيون و بهرهگيري از انواع محيطهاي فيلتركننده است. منسوجات بيبافت با بهرهمندي از ساختاري متخلخل و بيقاعده يكي از مطلوبترين سازههاي مورداستفاده جهت جداسازي اين آلايندهها ميباشند. مهمترين عامل مؤثر بر عملكرد فيلتراسيون اين منسوجات، عوامل ميكروساختاري منسوج شامل تخلخل، ابعاد منافذ و توزيع آرايشيافتگي سهبعدي الياف است كه همگي متأثر از عوامل توليد ميباشند. بهمنظور بررسي تأثير عوامل توليد بر ميكروساختار و عملكرد فيلتراسيون، مطابق طرح آزمايش مبتني بر روش سطح پاسخ با رويكرد I-Optimal، فيلترهاي اليافي در چهار درصد مختلف تركيب الياف پلي پروپيلن 5/1 و 3 دنير (0، 34، 66 و 100 درصد)، سه عمق نفوذ سوزن (9، 13 و 16 ميليمتر)، سه سرعت سوزنزني (110، 270 و 430 ضربه بر دقيقه)، سه دماي كالندر حرارتي (120، 130 و 140 درجه سانتيگراد) و سه فشار كالندر (2، 4 و 6 بار) توليد شدند. رفتار فيلتراسيون نمونهها با استفاده از آزمون فيلتراسيون بر اساس استاندارد ISO 11057مورد ارزيابي قرار گرفت. تأثير عوامل توليد بر متغيرهاي وابسته شامل راندمان فيلتراسيون، افت فشار و فاكتور كيفيت مورد بررسي قرار گرفت. بر مبناي شاخصهاي ضرايب تشخيص، ضريب تغييرات و نسبت سيگنال به نويز، مدلهاي آماري جهت پيشبيني متغيرهاي وابسته پيشنهاد گرديد. شرايط بهينه به مفهوم دستيابي به بيشترين راندمان و فاكتور كيفيت و حداقل افت فشار در درصد تركيب 94% الياف 5/1 دنير، عمق نفوذ سوزن 2/15 ميليمتر، سرعت سوزنزني 325 ضربه بر دقيقه، دماي كالندر 4/120 درجه سانتيگراد و فشار كالندر 6 بار با شاخص مطلوبيت 955/0 تعيين گرديد. در اين شرايط مقادير راندمان، افت فشار و فاكتور كيفيت به ترتيب 95%، 61 پاسكال و 0456/0 بر پاسكال پيشبيني شد. درنهايت چهار فيلتر بيبافت در شرايط بهينه توليد شد و خصوصيات فيلتراسيون آنها مورد ارزيابي قرار گرفت. مشاهده شد كه در فاصله اطمينان 95 درصد، تطابق عالي ميان نتايج مدل آماري و نتايج تجربي برقرار است. بهمنظور بررسي ميكروساختار، تصاوير سهبعدي حقيقي نمونهها با استفاده از روش غيرمخرب ميكروپرتونگاري مقطعي رايانهاي (µCT) به دست آمد و با استفاده از روش پردازش تصوير مورد تحليل قرار گرفت. نتايج نشان داد كه با افزايش درصد الياف ظريف، سرعت سوزنزني، عمق نفوذ سوزن، دماي كالندر و فشار كالندر، اندازه منافذ كاهش و راندمان و افت فشار فيلتر افزايش مييابد. همچنين مشخص شد ظرافت الياف بر آرايشيافتگي سهبعدي الياف تأثيري ندارد، وليكن آرايشيافتگي در راستاي ضخامت فيلتر با افزايش دما و فشار كالندر كاهش و با افزايش عمق نفوذ سوزن و تراكم سوزنزني افزايش مييابد. همچنين مشخص شد نمونه بهينه در راستاي ضخامت خود داراي گراديان تخلخل نمايي است كه اين ويژگي به افزايش راندمان فيلتراسيون، كاهش افت فشار و افزايش طول عمر فيلتر كمك ميكند. شبيهسازي عبور جريان از درون ساختارهاي حقيقي حاصل از µCT و همچنين ساختارهاي مجازي متناظر آنها با استفاده از روش ديناميك سيالات محاسباتي (CFD) انجام شد. نتايج حاصل با دادههاي تجربي و نيز مدلهاي تحليلي و عددي موجود مقايسه گرديد و همخواني قابلتوجهي ميان آنها مشاهده شد. اين انطباق نشان داد كه مدلسازي مجازي ميتواند جايگزيني معتبر و كمهزينه براي مدلسازي حقيقي و آزمونهاي پرهزينه تجربي باشد. بر پايه مدلسازي مجازي، تأثير پارامترهاي ميكروساختاري شامل تخلخل و آرايشيافتگي الياف بر رفتار جريان درون فيلتر مورد بررسي قرار گرفت. نتايج نشان داد كه نفوذپذيري با افزايش تخلخل بهصورت غيرخطي افزايش مييابد و همچنين افزايش ميزان آرايشيافتگي الياف در راستاي ضخامت فيلتر منجر به افزايش نفوذپذيري ميگردد.
چكيده انگليسي
In recent years, the rapid growth of industries and urbanization driven by economic development has led to a wide range of environmental challenges, including air and water pollution. The removal or reduction of these pollutants necessitates the use of filtration processes and various filter media. Nonwoven textiles, owing to their porous and irregular structures, are among the most favorable materials for such applications. The key microstructural parameters governing the filtration performance of nonwovens include porosity, pore size, and three-dimensional fiber orientation, all of which are influenced by manufacturing conditions. To investigate the effects of production parameters on microstructure and filtration performance, an I-optimal response surface methodology (RSM) design was employed. Fibrous filters were manufactured at four blending ratios of 1.5 and 3 denier fibers (0, 34, 66, and 100%), three needle penetration depths (9, 13, and 16 mm), three needling speeds (110, 270, and 430 punches/min), three calendering temperatures (120, 130, and 140 °C), and three calendering pressures (2, 4, and 6 bar). Filtration behavior was evaluated according to ISO 11057. The effects of process parameters on dependent variables, including filtration efficiency, pressure drop, and quality factor, were examined. Based on regression indicators, statistical models were developed to predict the dependent variables. The optimal condition—corresponding to maximum efficiency and quality factor with minimum pressure drop—was identified at 94% of 1.5 denier fiber, 15.2 mm needle penetration depth, 325 punches/min needling speed, 120.4 °C calendering temperature, and 6 bar calendering pressure, with a desirability index of 0.955. Under these conditions, predicted filtration efficiency, pressure drop, and quality factor were 95%, 61 Pa, and 0.0456 Pa⁻¹, respectively. Four nonwoven filters were produced under the optimized settings, and their experimental results showed excellent agreement with model predictions at the 95% confidence interval. To characterize the microstructure, 3D images of the samples were obtained by non-destructive X-ray micro-computed tomography and analyzed via image processing. Results indicated that increasing the proportion of finer fibers, needling speed, needle penetration depth, calendering temperature, and pressure decreased pore size, while increasing both filtration efficiency and pressure drop. Fiber fineness was found to have no significant effect on three-dimensional orientation; however, through-thickness orientation decreased with higher calendering temperature and pressure, and increased with greater needling penetration and density. Furthermore, the optimized sample exhibited an exponential porosity gradient along its thickness, contributing to higher efficiency, reduced pressure drop, and extended filter lifetime. Flow simulations through real structures obtained from micro-computed tomography (µCT) as well as their corresponding virtual models were conducted using computational fluid dynamics (CFD). The results were compared with experimental data and existing analytical and numerical models, showing a remarkable level of agreement. This consistency demonstrated that virtual modeling can serve as a reliable and cost-effective alternative to real modeling and costly experimental tests. Based on the virtual models, the effects of microstructural parameters, including porosity and fiber orientation, on fluid behavior within the filter were investigated. The findings revealed that permeability increases nonlinearly with increasing porosity, and that greater fiber alignment along the filter thickness leads to enhanced permeability.
استاد راهنما
پرهام سلطاني
استاد داور
عبدالكريم حسيني , مجيد صفرجوهري , حميد زيلوئي , حسين حسني