در سال های اخیر، انتقال در محیط های متخلخل توجه بسیاری از شاخه های مختلف علوم و مهندسی به خود جلب کرده است. در این زمینه، کتاب حاضر تئوری های کلاسیک انتقال در محیط متخلخل را با پیشرفت های اخیر در این حوزه بررسی می کند.
دلایل جذابیت انتقال در محیط های متخلخل دو چیز است:
- دو دهه گذشته ظهور انواع برنامه های کاربردی که محیط متخلخل را مدل سازی کرده اند که عمدتاً شامل انرژی، محیط زیست و سیستم های بیولوژیکی می شود.
- افزایش سریع قدرت محاسباتی که پیشرفت نظری را در مدل سازی انتقال در محیط متخلخل تسهیل کرده است.
هدف این کتاب ارائه یک منبع قوی برای دانشجویان فارغ التحصیل و فارغ التحصیلان کارشناسی ارشد و علاقه مند به تحقیقات جریان در محیط های متخلخل است.
کتاب مدل سازی انتقال در محیط های متخلخل اصولاً به دو بخش نظری و کاربردها تقسیم شده است. انواع محیط های متخلخل و اهمیت مدل سازی ریاضی انتقال در چنین محیط هایی در فصل 1 بحث شده است. در حالی که در فصل 2 و 3 نظریه های پدیده های انتقال در محیط های متخلخل را مورد بحث قرار می دهند. 4-7 به کاربردهای مهندسی و ملاحظات مدلسازی آنها می پردازد. در نهایت، فصل 8 درک فعلی و همچنین چالش های قریب الوقوع مدل سازی پدیده های انتقال در محیط های متخلخل را خلاصه می کند.
مدلسازی انتقال در محیط متخلخل ممکن است در مقیاس های مختلف انجام شود. فصل 2 تمایز اساسی مدل های پیوسته منافذ را بررسی می کند. سپس این فصل توسعه مدل انتقال دارسی تا مدل های پدیدارشناختی انتقال از گذشته تا کنون را دنبال می کند. فصل 2 همچنین شامل بهسازی فرآیند انتقال چند فازی و انتقال حرارت از طریق محیط متخلخل را شرح می دهد. در نهایت، انتقال بار و واکنش های شیمیایی نیز گنجانده شده است. در ادامه مدل های پیوسته توسعه یافته در فصل 2 گفته شده و در فصل 3 مدل های چد مقیاسی برای انتقال در محیط متخلخل را تشریح می کند. به ویژه، در فصل 3 کاربرد روش شبکه بولتزمن (LBM) را در درک پدیده های انتقال در مقیاس منافذ تشریح می کند. این فصل از کتاب مدلسازی انتقال در محیط متخلخل مزایای نسبی LBM را در هندسه های پیچیده، به ویژه در محیط های متخلخل با فرمول پیوسته مقایسه می کند.
توسعه نظری، مورد بحث در فصل 2 و 3، زمینه ضروری برای برنامه های کاربردی موجود در بخش های 4-7 را فراهم می کند. فصل های 4 و 5 مدل ها و پدیده های انتقال را در سیستم های الکتروشیمیایی و بیولوژیکی توضیح می دهند. در حالی که فصل 4 شامل مدل سازی سلول های سوختی و باتری ها می باشد و فصل 5 جریان خون را از طریق آنوریسم در شریان های انسان شرح می دهد. فصل 6 شامل یک رویکرد جدید از مدلسازی جریان نوسانی در مبدل های حرارتی در چارچوب محیط متخلخل است. در نهایت، فصل 7 شبیه سازی مخزن برای جداسازی CO2 به شکل هیدرات را در بر می گیرد. به طور کلی، فصل 5-7 حوزه های وسیعی از کاربردهای کنونی در محیط های متخلخل را پوشش می دهد و محققان علاقه مند را تشویق می کند تا در حوزه های انتخابی خود جستجو کنند.
در حالی که این کتاب پشتیبانی نظری و مدل سازی را همراه با مثال هایی برای محققان محیط های متخلخل ارائه می‌کند، اما قصد ندارد تنها یک پژوهش معتبر درباره پدیده‌های انتقال را مورد بحث قرار دهد. دانش بنیادی در مورد مکانیک سیالات، انتقال گرما و جرم و سیستم های الکتروشیمیایی برای استفاده بهتر از این کتاب ضروری است. در نهایت، منابع موجود در این کتاب منابع مطالعه بیشتری را برای محققان در این موضوع فراهم می کند. نویسندگان با قدردانی از توسعه برنامه درسی برای آموزش فنی (CDTE) سلول موسسه فناوری هند کانپور برای حمایت مالی قدردانی می کنند. نویسندگان از مقامات موسسه در IIT Kanpur و دانشگاه A&M تگزاس برای ارائه یک محیط تحقیقاتی موثر سپاسگزار هستند.
معرفی
اصطلاح محیط متخلخل به طور گسترده در زمینه ها و کاربردهای بسیاری استفاده می شود. معمولاً به یک فاز جامد کلی اشاره دارد که در آن توزیع حفره ها غالب است. این حفره ها ممکن است با ماده جامد دیگری پر شوند و در نتیجه یک کامپوزیت را تشکیل دهند. مورد توجه بحث حاضر فاز جامد با حفره های پر از مایع است. دومین جنبه متمایز این بخش این است که فضاهای خالی به هم پیوسته را در یک محیط جامد مطالعه می کند. بنابراین، جریان سیال می تواند از میان حفره ها، معمولاً در امتداد یک مسیر پر پیچ و خم، انجام شود. بررسی الگوهای جریان و توزیع سایر متغیرهای فیزیکی مانند دما در این مقاله، موضوع جریان و انتقال در محیط متخلخل را تشکیل می دهد.
در توسعه موضوع، شرایط خاصی اعمال می شود تا ساده سازی های ریاضی امکان پذیر باشد. اولین مورد این است که ماده جامد بی حرکت است، بنابراین فضای خالی از هندسه ثابت و مستقل از زمان برخوردار است. نیروها از جریان یک فاز سیال در منافذ ایجاد می شوند. دوم این است که مقیاس منافذ، یعنی بعد مشخصه فضای خالی بسیار کوچکتر از ابعاد کلی فاز جامدی است که جریان در آن انتقال می یابد. در کلی‌ترین حالت، یک محیط متخلخل دارای مقیاس طول اولیه است که توسط برنامه محاسباتی تعیین می‌شود. علاوه بر این، سلسله مراتبی از مقیاس های کوچک تر، نشان دهنده حفره های درون ماتریس جامد است که ممکن است وجود داشته باشد. با این حال هندسه منافذ، بدون تغییر در زمان در نظر گرفته می شود. به طور موثر، ماتریس جامد در معرض نیروهای سیال قرار می گیرد اما به عنوان یک جسم صلب در نظر گرفته می شود. ساده سازی های بالا، برخی از پدیده های مهم را از تجزیه و تحلیل حذف می کنند. تعلیق ذرات جامد در یک محیط مایع می تواند منجر به پدیده های جالب مختلفی شود، به عنوان مثال، خود سامان دهی شبکه ها یکی از این پدیده هاست. ویسکوزیته موثر می تواند بالاتر باشد و انتشار اسکالر می تواند افزایش یابد و به طور مشترک رفتار وابسته به زمان را معرفی کند. کاربردهای دیگری که نمی توان با استفاده از تقریب محیط متخلخل به آنها پرداخت، شامل جریان چند فازی مخلوط های گاز- جامد، بخار آب و ترکیب گاز- مایع و دینامیک محیط های دانه ای است. تغییر شکل های کوچک یک محیط متخلخل در مقیاس های زمانی را احتمالاً می‌توان در تحلیل به حساب آورد، اما این اغلب یک استثنا است. مشکل فیزیکی به این ترتیب به جریان و انتقال در یک هندسه پیچیده کاهش می یابد.
سازوکارهای فیزیکی
در نگاه اول، جریان سیال در یک محیط متخلخل را می توان به عنوان جریان در یک لوله سه بعدی با سطح مقطع متفاوت تجسم کرد. سرعت و فشار در این آرایش را می توان با حل معادلات ناویر – استوکس تعیین کرد، مشکل در مدل سازی بر روی پیچیدگی هندسی متمرکز است. این مرحله، به خودی خود، یک کار بزرگ است. در زمینه هایی مانند مخازن طبیعی، مقیاس منافذ می تواند در حد کسری از میلی متر باشد در حالی که مقیاس طول سازند می تواند بیش از صدها متر باشد. مشکلات اضافی ممکن است از پدیده هایی مانند گسل ها که مسیرهای جدیدی برای جریان ایجاد می کنند، ایجاد شود. در اینجا باید گفت که رویکرد ناویر استوکس برای مدلسازی محیط متخلخل جریان سیال هنوز کامل نشده است. گسترش کاربردها در محیط های متخلخل زیاد است و امکانات بسیار زیادی وجود دارد. هر یک از اینها ساز و کارهای اضافی را از نظر نیروها و شارها معرفی می کنند که منجر به یک سیستم بازنگری شده از معادلات حاکم می شود. برخی از این موقعیت های احتمالی در زیر ذکر شده است.
1. مایع فضای منافذ را پر نمی کند و رابط های گاز – مایع (یا بخار – مایع) تشکیل می شود. آنها ممکن است با گذشت زمان بیشتر حرکت کنند. وقتی دو مایع غیرقابل اختلاط با یک اختلاف فشار خارجی کلی حرکت می کنند، رابط ها نیز تشکیل می شوند.
2. بخشی از سیال گرم می شود و یک جبهه حرارتی در محیط متخلخل حرکت می کند. مشکل انتقال حرارت بین سیال و ماتریس جامد نیز ممکن است مرتبط باشد.
3. ارتباط نزدیک با (2) انتقال آلاینده مانند مواد محلول و ذرات در یک محیط متخلخل است.
4. تعمیم (1)-(3)، جریان چند فازی، چند جزئی و انتقال در یک محیط متخلخل به عنوان موضوعی با پیچیدگی پدیدار می شود. فصل 7 یکی از این کاربردها را توصیف می کند که در آن تغییر فاز با واکنش های شیمیایی همراه است.
