مدل سازي سه بعدي اثرات هندسه و آرايش ماتريس ميله ها بر جذب ميكروذرات در فيلترهاي مغناطيسي گراديان بالا

3D Modeling of the Effects of Arrangement and Geometry of the Rod Matrix on the Capturing of Micro-Particles in High Gradient Magnetic Filters

در اين مقاله يك مدل سه بعدي براي بررسي عملكرد فيلترهاي مغناطيسي ارائه شده است. اين فيلتر متشكل از ماتريسي از ميله هاي آهني است كه درون كانالي با سطح مقطع مربعي چيده شده اند و در معرض يك ميدان مغناطيسي خارجي هستند. سيال جاري درون كانال محلول آمين است كه حاوي ميكروذرات FeS است. در مدل ارائه شده ابتدا جذب ذرات مغناطيسي زير ميكروني براي يك هندسه دوبعدي و در شرايط مختلف به صورت عددي با استفاده از نرم افزار كامسول (COMSOL) با روش المان محدود محاسبه مي شود. توسط اين نتايج يك پايگاه داده براي جذب ذرات به ازاي سرعت هاي مختلف جريان، قطرهاي مختلف ذرات و چيدمان هاي متفاوت ميله ها به دست آمده است. از طريق پردازش داده هاي اين پايگاه تعداد ذرات جذب شده روي يك دسته ميله سه بعدي توسط انتگرال گيري عددي در راستاي عمق ميله محاسبه شده است. نهايتا مقدار جذب ذرات روي ماتريس ميله ها به ازاي ورود طيف گاوسي از ذرات به كانال تعيين شده است. نشان داده مي شود در اين فيلترها مقدار جذب ذرات با قطر ذرات رابطه مستقيم و با عدد رينولدز جريان و فاصله عرضي بين ميله ها رابطه معكوس دارد. همچنين در شرايط يكسان مقدار فيلتراسيون چيدمان مثلثي ميله ها نسبت به چيدمان مستطيلي بيشتر است كه البته اختلاف ميزان جذب ذرات در اين دو آرايش با افزايش سرعت جريان، فاصله بين ميله ها و كاهش قطر ذرات كاهش مي يابد. اين نتايج مي تواند براي بهينه سازي فيلتراسيون ذرات در فيلترهاي مغناطيسي مورد استفاده قرار گيرد.

In this paper, a 3D model is proposed for investigating the performance of HGMS filters. This filter consists of a matrix of iron rods arranged in a channel with a square cross-section and subjected to an external magnetic field. The flowing fluid is the amine solution which contains the FeS micro-particles. In the presented model, first, the capture performances of magnetic particles for 2D geometries are calculated numerically at various conditions using COMSOL Multiphysics software through finite element method. Using these results, a database of capture performance has been established for different speeds of the flow, diameters of the particle and arrangement of the rods. By use of the processing of this database, the capture performance of semi-sized particles for a 3D problem is calculated through the integration of captured particles along the length of the rods. Finally, the amount of total particles captured on the rod matrix is obtained for a group of particles with various diameters assuming Gaussian distribution. The results indicate that in HGMS filters, the particle capturing is directly related to the particle diameter but inversely depends on Reynolds number and the vertical distance between the rods. Also, at the same conditions, the filtration of the triangular arrangement of rods is greater than the rectangular arrangement. However, the performance difference of these two arrangements decreases with increase in the flow velocity or increase in the distance between the rods or decrease in the diameter of the particles. These results can be used to optimize the filtration of particles in the magnetic filters at different conditions.