شبيه سازي عددي هيدروديناميك تك قطره در سيستم‌هاي استاندارد مايع-مايع (آب-تولوئن، آب-بوتانول و آب-بوتيل استات) در حضور نانو ذرات مغناطيسي (Fe3O4)

Numerical Simulation of Hydrodynamics of Single Droplet in Three Standard Liquid-Liquid Systems (Water-Toluene, Water- Butyl acetate, Water-Butanol) in Present of Magnetic Nanoparticles (Fe3O4)

در اين تحقيق سعي شده است اثر نانو ذرات مغناطيسي (فروسيال) بر روي هيدروديناميك يك تك قطره در سيستم­هاي استاندارد مايع-مايع (آب-تولوئن، آب-بوتيل استات و آب-بوتانول) مورد بررسي قرار گيرد. نانو ذرات مغناطيسي Fe3O4 با پوشش آبگريز سيلاني در تحقيق حاضر استفاده شده است. خواص فيزيكي از قبيل دانسيته، ويسكوزيته و كشش بين فازي براي غلظت­هاي مختلف نانو ذره بدست آمده است و معادلات هيدروديناميك حاكم يك تك قطره مايع-مايع در حضور نانو ذرات مغناطيسي استخراج و شبيه سازي شده است. نتايج بدست آمده از محاسبات عددي با نتايج آزمايشگاهي بدون حضور نانو ذره براي اين سه سيستم مايع-مايع مقايسه شده است كه نتيجه اين مقايسه قابل قبول و داراي خطاي بسيار كم مي­باشد. شبيه سازي تك قطره مايع-مايع براي غلظت­هاي نانو ذره از صفر تا 20 درصد وزني انجام شد و نتايج بيانگر اين مطلب هستند كه اثر نانو ذرات بر روي هيدروديناميك قطرات كوچك ناچيز است در حالي­كه براي قطرات بزرگ، سرعت حد نرمال شده قطرات با افزايش غلظت نانو ذرات ابتدا افزايشي و سپس كاهشي مي­يابد. همچنين تغيير شكل قطرات كوچكتر در حضور نانو ذرات مغناطيسي ناچيز است در حالي كه براي قطرات بزرگتر بسته به اندازه قطره شدت تغيير شكل نرمال شده مي‌تواند افزايشي يا كاهشي باشد.

In this work, the effect of magnetic nanoparticles on hydrodynamics of single droplet has been studied for standard liquid-liquid systems (water-toluene, water-butyl acetate and water-butanol). Magnetic nanoparticles (Fe3O4) with silane as hydrophobic coating have been used in this research. Physical properties such as density, viscosity and interfacial tension are obtained for various concentrations of nanoparticles, and governing equations of hydrodynamics for single liquid droplet in the presence of magnetic nanoparticles are developed and solved by numerical methods. The results obtained by numerical solution have been compared with experimental results in the absence of nanoparticles for these three liquid-liquid systems. The result of the comparison is acceptable, and the errors are very low. Numerical simulations were performed for single droplet with changing mass fraction of nanoparticles from zero to 20%. The results indicate that the effect of nanoparticles on the hydrodynamics of small droplets is negligible, while for large droplets, the normalized terminal velocity is increased with increasing mass fraction of nanoparticles and then decreased. Also, the deformation rate of smaller droplets in the presence of magnetic nanoparticles is negligible, while for larger droplets, depending on the size of the drop, the normalized deformation rate can be increased or decreased.