شبيه‌سازي سه بعدي ساختار فيلترهاي نانو ليفي و بررسي تأثير آن بر نفوذپذيري هوا با استفاده از مطالعه آزمايشگاهي و شبيه سازي عددي

چكيده فارسي :

در سه دهه اخير، فيلترهاي ميكرو و نانو اليافي به دليل راندمان بالا و افت فشار كم به¬صورت گسترده در صنايع مختلف مورد استفاده قرار گرفته¬اند. به همين دليل مهندسي ساختار اين فيلترها مورد توجه بسياري قرار گرفته است. همچنين با توجه به نياز فزاينده بشر به فيلتر كردن ذرات ريز و آئروسل‌هاي حاوي ويروس‌هايي مانند Covid-19 كاربرد نانو الياف در فيلتراسيون اهميت بيشتري يافته است. در بسياري از اين كاربردها، رفتار سيال در سازه اليافي عامل تأثيرگذار در مهندسي ساختار فيلتر است. تعريف دقيق رفتار سيال در اين سازه¬ها مستلزم درك كامل از تأثير ساختار داخلي در مقياس ميكرو و نانو بر جريان سيال است. در دو دهه گذشته، مدل¬هاي تحليلي و عددي مختلفي جهت پيش¬بيني رفتار سيال در سازه¬هاي اليافي ارائه شده¬اند. بااين‌حال، اين مطالعات براي پيش‌بيني رفتار جريان در محيط‌هاي نانو ليفي كه شرايط مرزي عدم لغزش روي سطوح الياف معتبر نيست، دقيق نيستند. در اين مطالعه روشي جديد به‌منظور بررسي تأثير شرايط لغزش در فيلترهاي نانو ليفي ارائه مي¬شود. به اين منظور، فيلترهاي نانو ليفي در دو غلظت 10 و 13 درصد و دو زمان 1 و 3 ساعت توليد شدند. نفوذپذيري هواي فيلترها با استفاده از دستگاه Shirley اندازه‌گيري شد. مورفولوژي سطحي و مقطعي سازه¬هاي نانو ليفي با استفاده از تصاوير ميكروسكوپ الكتروني روبشي نشر ميداني مورد ارزيابي قرار گرفت. توزيع قطري و آرايش¬يافتگي دوبعدي الياف نيز با استفاده از نرم‌افزار GeoDict اندازه‌گيري شد. اين اطلاعات به همراه نتايج تخلخل و ضخامت به‌دست‌آمده از آزمايش¬هاي تجربي، جهت شبيه‌سازي ساختار سه‌بعدي فيلترهاي نانو ليفي در نرم‌افزارهاي GeoDict و Avizo مورد استفاده قرار گرفتند. تأثير رژيم جريان لغزش بر رفتار سيال در ساختارهاي شبيه‌سازي‌شده مورد بررسي قرار گرفت و نتايج با داده‌هاي آزمايشگاهي و مدل‌هاي تحليلي اصلاح‌شده جكسون و جيمز و اسپيلمن و گورن مقايسه شدند. همچنين عملكرد فيلتراسيون نمونه‌ها با شبيه‌سازي فرايند فيلتراسيون با در نظرگرفتن ذرات DEHS با توزيع اندازه 190 نانومتر تا 3/2 ميكرومتر با حل معادلات استوكس و در نظر گرفتن سرعت متوسط 32/5 سانتي¬متر بر ثانيه و طول لغزش 70 نانومتر مورد ارزيابي قرار گرفت. افت فشار اوليه و راندمان كل فيلتراسيون برحسب تعداد و وزن ذرات محاسبه شد. مشخص شد كه براي فيلترهاي داراي تخلخل يكسان، نفوذپذيري هوا با افزايش ضخامت فيلتر كاهش مي‌يابد. همچنين مشخص شد نفوذپذيري هوا با افزايش تخلخل سازه نانو ليفي افزايش مي‌يابد. تطابق بسيار خوبي مابين نتايج شبيه‌سازي و آزمايشگاهي مشاهده شد. براي يك افت فشار معين، سرعت‌هاي محاسبه‌شده براي جريان لغزشي بيشتر از سرعت‌هاي محاسبه‌شده براي رژيم جريان عدم لغزش بودند. نتايج نشان دادند كه فيلترهاي الكتروريسي شده در زمان 3 ساعت براي ذرات بزرگ‌تر از 4/0 ميكرون داراي راندمان 100% هستند.

نادري، متين

شبيه‌سازي سه بعدي ساختار فيلترهاي نانو ليفي و بررسي تأثير آن بر نفوذپذيري هوا با استفاده از مطالعه آزمايشگاهي و شبيه سازي عددي

فيلتر نانو ليفي , ديناميك سيالات محاسباني , شبيه‌سازي ساختار , جريان لغزشي , نفوذپذيري هوا , راندمان فيلتراسيون