Дискретне моделювання агрегації та осідання мікро- і наночастинок в суспензіях
Анотація
Досліджується агрегація частинок в технічних нанорідинах як механізм їх старіння. Встановлено, що за рахунок агрегації в'язкість нанорідин зростає, а теплопровідність зменшується. Під час осідання у верхній частині трубки утворюється область несучої рідини, вільної від частинок (зона I). Потім розташовується зона IIа, заповнена осідаючими одиночними частинками і агрегатами із невеликого числа частинок. Після слідує зона IIб, заповнена великими агрегатами. Зона IIв складається з великих агрегатів, які утворюють пористий каркас. Самий нижній шар III складається зі щільно упакованих агрегатів без рідини. Динамічні криві H(t), отримані з експериментів, дають можливість оцінити теоретичні моделі, що розробляються. Наведено огляд відомих експериментальних даних по агрегації і осіданню різного типу наночастинок, а також наявні теоретичні моделі, які показали істотні відмінності теоретичних і експериментальних кривих осідання. Для чисельних розрахунків використовується дискретний метод динаміки частинок, який дозволяє проводити комп'ютерні симуляції при будь-якій геометрії і розташуванні трубки. Результати розрахунків з використанням теоретичних і експериментальних даних показали, що осідання швидше за наявності проковзування на поверхнях частинок, що більше виражено в похилих трубках. Зі збільшенням кута нахилу трубки швидкість осідання зростає при , а при великих кутах - зменшується, причому відразу після початку осідання. Таким чином, оцінка ступеня старіння нанорідин може бути прискорена при проведенні тесту в похилій трубці. Запропоновано кількісний індекс старіння на основі показника швидкості осідання частинок нанорідин в трубці. Запропоновано модифікацію методу динаміки частинок з урахуванням умов проковзування другого порядку і проведені розрахунки осідання в прямих і похилих трубках. Показано гарну відповідність теорії з експериментом.
Завантаження
Посилання
/Посилання
M. Gad-el-Hak, “MEMS Introduction and fundamentals. The MEMS Handbook.” N.-Y.: Taylor & Francis Group, 228 p., 2006.
R. Ghodssi, and P. Lin (eds.), “MEMS Materials and Processes Handbook.” N.-Y.: Springer, 321 p., 2011.
W Liou, and Y. Fang, “Microfluid Mechanics: Principles and Modeling (Nanoscience and Technology).” N.-Y.: McGraw-Hill Education Publ., 198 p., 2005.
F.E.H. Tay (ed.), “Microfluidics and BioMEMS Applications.” N.-Y.: Springer-Science, 217 p., 2002.
G.E. Karniadakis, and A. Beskok, and N. Aluru, “Microflows and nanoflows: Fundamentals and simulation.” Interdisc. Appl. Math. Series, vol.29. N.-Y.: Springer-Science, 295 p., 2005.
V.Cherevko, and N. Kizilova, “Complex flows of immiscible microfluids and nanofluids with velocity slip bounary conditions.” Nanophysics, Nanomaterials, Interface Studies, and Applications, Springer Proceedings in Physics, vol. 183. O. Fesenko, L. Yatsenko (eds.). N.-Y.: Springer, pp. 207–230, 2017.
C. Kleinstreuer, and Z. Xu, “Mathematical Modeling and Computer Simulations of Nanofluid Flow with Applications to Cooling and Lubrication. A review.” Fluids, v.1, pp.16-48, 2016.
H. K. Kanagala, “Modeling of Particle Agglomeration in Nanofluids. PhD Thesis.” Lehigh University Press, 47p. 2013.
G. S. Srivastava, “Effect of aggregation on thermal conductivity and viscosity of nanofluids.” Applied Nanosciences, v. 2, pp. 325–331, 2012.
W.Yu, and H. Xie, “A Review on Nanofluids: Preparation, Stability Mechanisms, and Applications.” Journal of Nanomaterials, v. 2012. – 435873, 2012.
V.A. Cherevko, and N.N. Kizilova, “Gravitational sedimentation of erythrocytes: experiments and theoretical model.” Bulletin of V. Karazin Kharkiv National University, ser. “Mathematics, applied mathematics, mechanics”, №875, pp.80-94, 2009. [in Russian]
V.A. Baranets, N.N. Kizilova, “Review of the discrete models of the nanoparticle dynamics in suspensions.” Collect. Papers of ХVIII International Symposium Discrete Singularities Methods in Mathematical Physics Problems” (DSMMPH-2017), Kharkiv, pp. 39-42, 2017. [in Russian]
N. Kizilova, and L. Batyuk, and V. Cherevko, “Human red blood cell properties and sedimentation rate: a biomechanical study.” Biomechanics in Medicine and Biology. K. Arkusz, R. Bedzinski, T. Klekiel, S. Piszczatowski, eds. Springer Series Advances in Intelligent Systems and Computing, Vol.831, N.-Y.: Springer, pp. 3-22, 2019.
T. Phenrat, and N. Saleh, and K. Sirk, et al, “Aggregation and sedimentation of aqueous nanoscale zerovalent iron dispersions.” Eenviron. Sci. Technol., v. 41, pp. 284-290, 2007.
J. Lu, and D. Liu, and X.Yang, et al, « Sedimentation of TiO2 nanoparticles in aqueous solutions: influence of pH, ionic strength, and adsorption of humic acid.” Desalinat. Water Treatment, v.57, N40, pp. 1-8, 2015.
S.J. Chung, and J.P. Leonard, and I. Nettleship, et al, “Characterization of ZnO nanoparticle suspension in water: Effectiveness of ultrasonic dispersion.” Powder Technol., v. 194, pp. 75–80, 2009.
W. Jiang, and G. Ding, and H. Peng, and H. Hua, “Modeling of nanoparticles’ aggregation and sedimentation in nanofluid.” Current Appl. Phys., v. 10, pp. 934–941, 2010.
S. Ganguly, and S. Chakraborty, “Sedimentation of nanoparticles in nanoscale colloidal suspensions.” Phys. Lett., Ser. A, v. 375, pp. 2394–2399, 2011.
A. A. Markus, and J. R. Parsons, and E. W. M. Roex, et al, “Modeling aggregation and sedimentation of nanoparticles in the aquatic environment.” Sci. Total Envir., N 506–507, pp. 323–329, 2015.
B. J. Alder, and T. E. Wainwright, “Phase transition for a hard sphere system.” J. Chem. Phys., v. 27, pp.1208-1209, 1957.
E. Moeendarbary, and T.Y. Ng, and M. Zangeneh, “Particle dynamics: introduction, methodology and complex fluid applications - a review.” Intern. J. Appl. Mech., v.1, N4, pp. 737–763, 2009.
J. Rifkin, “XMD - Molecular Dynamics Program.” URL: http://xmd.sourceforge.net/doc/manual/xmd.html (Last accessed: 25.10.2018).
“LAMMPS Molecular Dynamics Simulator.” URL: https://lammps.sandia.gov/ (Last accessed: 17.11.2018).
P. Espanol, “Dissipative Particle Dynamics.” Handbook of Materials Modeling, Yip S. (ed.). Dordrecht: Springer, pp. 2503-2569, 2005.
R. Ravi, and V. Guruprasad, “Lennard-Jones fluid and diffusivity: validity of the hard-sphere model for diffusion in simple fluids and application to CO2.” Ind. Eng. Chem. Res., v.47, N4, pp. 1297–1303, 2008.
N.N. Kizilova, “Stability of erythrocyte sedimentation in a constant magnetic field.” Fluid Dynamics, v.24, N6, pp.878-881, 1989.
Gad-el-Hak M. MEMS Introduction and fundamentals. The MEMS Handbook. N.-Y.: Taylor & Francis Group, 2006. 228 p.
MEMS Materials and Processes Handbook, Ghodssi R., and Lin P. (eds.). – N.-Y.: Springer, 2011. 321 p.
Liou W., Fang Y. Microfluid Mechanics: Principles and Modeling (Nanoscience and Technology). N.-Y.: McGraw-Hill Education Publ., 2005. 198 p.
Microfluidics and BioMEMS Applications, Tay F.E.H. (ed.). N.-Y.: Springer-Science, 2002. 217 p.
Karniadakis G.E., Beskok A., Aluru N. Microflows and nanoflows: Fundamentals and simulation. Interdisc. Appl. Math. Series, vol.29. N.-Y.: Springer-Science, 2005. 295 p.
Cherevko V., Kizilova N. Complex flows of immiscible microfluids and nanofluids with velocity slip bounary conditions. Nanophysics, Nanomaterials, Interface Studies, and Applications, Springer Proceedings in Physics O. Fesenko, L. Yatsenko (eds.). N.-Y.: Springer. 2017. vol. 183. P. 207–230.
Kleinstreuer C., Xu Z. Mathematical Modeling and Computer Simulations of Nanofluid Flow with Applications to Cooling and Lubrication. A review.Fluids. 2016. v.1. P.16-48.
Kanagala H. K. Modeling of Particle Agglomeration in Nanofluids: PhD Thesis / Lehigh University Press, 2013. 47 p.
Srivastava G. S. Effect of aggregation on thermal conductivity and viscosity of nanofluids. Applied Nanosciences. 2012. v. 2. P. 325–331.
Yu W., Xie H. A Review on Nanofluids: Preparation, Stability Mechanisms, and Applications. Journal of Nanomaterials. 2012. v. 2012. - 435873.
Кизилова Н.Н., Черевко В.А. Гравитационная седиментация эритроцитов: эксперименты и теоретическая модель. Вестник ХНУ. Сер. “Математика, прикладная математика, механика” – 2009. - №875. – С.80-94.
Баранец В.А., Кизилова Н.Н. Обзор дискретных моделей динамики наночистиц в суспензиях // Зб. праць ХVIII Міжнародного симпозіуму «Методи дискретних особливостей в задачах математичної фізики» (МДОЗМФ-2017). Харків. – 2017. – С. 39-42.
Kizilova N., Batyuk L., Cherevko V. Human red blood cell properties and sedimentation rate: a biomechanical study. Biomechanics in Medicine and Biology. K. Arkusz, R. Bedzinski, T. Klekiel, S. Piszczatowski, eds. Springer Series “Advances in Intelligent Systems and Computing” Vol.831, N.-Y.: Springer, 2019. P. 3-22.
Phenrat T., Saleh N., Sirk K., et al. Aggregation and sedimentation of aqueous nanoscale zerovalent iron dispersions // Eenviron. Sci. Technol. – 2007. – v. 41. – P. 284-290.
Lu J., Liu D., Yang X., et al. Sedimentation of TiO2 nanoparticles in aqueous solutions: influence of pH, ionic strength, and adsorption of humic acid. Desalinat. Water Treatment. 2015. v.57, N40. P. 1-8.
Chung S.J., Leonard J.P., Nettleship I., et al. Characterization of ZnO nanoparticle suspension in water: Effectiveness of ultrasonic dispersion Powder Technol. – 2009. – v. 194. – P. 75–80.
Jiang W., Ding G., Peng H., Hua H. Modeling of nanoparticles’ aggregation and sedimentation in nanofluid Current Appl. Phys. 2010. – v. 10. – P. 934–941.
Ganguly S., Chakraborty S. Sedimentation of nanoparticles in nanoscale colloidal suspensions. Phys. Lett., Ser. A. 2011. v. 375. P. 2394–2399.
Markus A. A., Parsons J. R., Roex E. W. M., et al. Modeling aggregation and sedimentation of nanoparticles in the aquatic environment. Sci. Total Envir. 2015. N 506–507. P. 323–329.
Alder B. J., Wainwright T. E. Phase transition for a hard sphere system. J. Chem. Phys. 1957. v. 27. P.1208-1209.
Moeendarbary E., Ng T.Y., Zangeneh M. Particle dynamics: introduction, methodology and complex fluid applications - a review. Intern. J. Appl. Mech. 2009. v.1, N4. P. 737–763.
Rifkin J. XMD - Molecular Dynamics Program. URL: http://xmd.sourceforge.net/doc/manual/xmd.html (дата обращения: 25.10.2018).
LAMMPS Molecular Dynamics Simulator URL: https://lammps.sandia.gov/ (дата обращения: 17.11.2018).
Espanol P. Dissipative Particle Dynamics // Handbook of Materials Modeling, Yip S. (ed.). –Dordrecht: Springer, 2005. – P. 2503-2569.
Ravi R., Guruprasad V. Lennard-Jones fluid and diffusivity: validity of the hard-sphere model for diffusion in simple fluids and application to CO2 Ind. Eng. Chem. Res. 2008. v.47, N4. P. 1297–1303.
Kizilova N.N. Stability of erythrocyte sedimentation in a constant magnetic field. Fluid Dynamics. 1989. v.24, N6. P.878-881.
