Geometry-based modeling of dispersion in core-shell particle media
Çekirdek-kabuk parçacık ortamlarında kütle dağılmasının geometri tabanlı modellenmesi
- Tez No: 474932
- Danışmanlar: YRD. DOÇ. DR. HARUN KOKU
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Kimya Mühendisliği, Chemical Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2017
- Dil: İngilizce
- Üniversite: Orta Doğu Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: 233
Özet
Kütle dağılması, kromatografik ayırma işlemleri gibi bazı sistemlerin performansını oldukça ileri seviyede etkileyen bir fiziksel olaydır. Dolayısıyla bu olayın matematiksel olarak modellenmesi yaygın bir şekilde çalışılmaktadır. Bu tez çalışması, sıvı kromatografisinde son yıllarda ticari olarak kullanılmaya başlanan bir durağan faz malzemesi olan, geçirimsiz bir çekirdek ve bu çekirdeğin etrafını kaplayan gözenekli bir tabakadan oluşan küresel çekirdek-kabuk parçacıklarının etrafında rastgele-yürüyüz yapan noktasal parçacıklara ait kütle dağılması olayını incelemeyi amaçlamaktadır. Ayrı olarak hesaplanan bir akışkan hız alanı, rastgele-yürüyüş metodu kullanan bir difüzyon modeliyle birlikte kullanılarak konveksiyon ve difüzyon olaylarını birlikte açıklayabilen bir kütle dağılması modeli oluşturulmuştur. Duvar etkilerinin olmadığı, çekirdek-kabuk parçacıklarla istiflenmiş sonsuz genişlikte teorik bir sıvı kromatografi kolonu bu çalışmada basit analitik geometri prensipleri kullanılarak yeniden oluşturulmuştur. İlk aşamada, çekirdek- kabuk parçacıklar, mikroskop görüntüleri ve gerçek üretim metodları göz önünde bulundurularak büyük bir çekirdek küresinin etrafına katman-katman yerleştirilmiş kabuk kürelerinden oluşacak şekilde matematiksel olarak yeniden inşa edilmiştir. Sonrasında ise aynı büyüklükteki kürelerden oluşan periyodik olarak rastgele ve sıkıca istiflenmiş kürelerin geometrisi ayrı bir yazılımla oluşturulmuş, istiflenmiş küre geometrisi ise yeniden inşa edilen çekirdek-kabuk parçacıkların tam olarak periyodik istifteki kürelerin içine sığabileceği şekilde yeniden ölçeklendirilmiş ve nihayet periyodik olarak rastgele istiflenmiş bir çekirdek-kabuk parçacık geometrisi elde edilmiştir. Oluşturulan çekirdek parçacık geometrisi bilgisayar yardımlı çizim teknikleri kullanılarak görsel olarak incelenmiş ve uygun bulunmuştur. İstiflenmiş küre geometrisi ayrıca akışkan hız alanı hesaplanmasında kullanılmış, ve çekirdek-kabuk parçacıkların gözenekli kısımlarında akışın olmayacağı varsayılarak elde edilen akışkan hız alanı rastgele-yürüyüş modeliyle birleştirilerek çekirdek-kabuk malzemelerin etrafında kütle dağılımını tahmin edebilen bir matematiksel model oluşturulmuştur. Modelin tahminleri lteratürde bulunan uygun deneysel verilerle karşılaştırılmıştır. Model tahminleri ve deneysel verilerin aralarındaki farklar ise simülasyon sistemi ve deneysel sistem arasındaki temel farklar göz önünde bulundurularak açıklanabilmiştir. Sonuç olarak, çekirdek-kabuk malzemelerin analitik geometri prensipleri kullanılarak yeniden oluşturulmasının, benzer sistemlerde kullanılabilecek olan başarılı bir yöntem olduğu ortaya çıkmıştır. Bu yöntem görüntüleme ve görüntü işleme gibi zahmetli ve külfetli prosedürlere alternatif oluşturabilir.
Özet (Çeviri)
Dispersion is an important physical phenomenon that heavily influences performances of systems such as chromatographic separation processes. Mathematical modeling of this phenomenon is therefore widely investigated. This thesis study investigates dispersion of random-walking particles, or tracers, around core-shell particles, a type of recently commercialized spherical and porous stationary phase used in liquid chromatography that has a solid impermeable core that limits diffusion near the center and a porous shell covering the core. A random-walk approach was used for modelling the diffusion events, coupled with an external fluid velocity field to simulate convection and diffusion simultaneously. Impermeable boundaries of an unbound, without wall-effects, liquid chromatography column packed with core-shell particles were created using basic principles of analytical geometry, defining core-shell particles as a collection of a large core spheres and much smaller shell side spheres coated around the core based on actual microscopy images of core-shell particles. Reconstruction method was very similar to the actual production methods of these type of materials where a silica core sphere is coated by silica nanospheres to create a core-shell particle with a very homogeneous geometry. Analytically reconstructed geometry was visually inspected using CAD images and found to be appropriate. The core-shell particle geometry was then copied into a periodic random jammed packing of monodisperse hardspheres generated independently by a software and scaled in size such that core-shell particles would flush-fit inside the hardsphere that make the random packing. Random packing of hardspheres were also used as the system boundaries of fluid flow calculations. Assuming no flow would occur inside the pores of core-shell particles, velocity field of the fluid flow obtained by these calculations were used in couple with random-walk diffusion to simulate dispersion in the periodic random jammed packing of core-shell particles. Predictions of the dispersion model were quantized in terms of reduced plate height at different operating Peclet numbers and the results were compared with experimental data found in the literature. Predictions of the model compares very well with the experimental data with deviations clearly explainable by the differences between the simulated system and the experimental system. Therefore the analytical geometry based reconstruction method of the core-shell particles was successful and it can potentially pose an alternative to complicated imaging and image processing for similar system geometries.
Benzer Tezler
- İç Akışta Kaynamanın Sayısal Modellenmesi
Numerical Modelling of Internal Boiling Flow
ÜNSAL KAYA
Yüksek Lisans
Türkçe
2014
Makine Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. LÜTFULLAH KUDDUSİ
- Tunçbilek termik santrali'nin 5. ünite kazanındaki alev oluşumunun sayısal modellemesi
Numerical modeling of flame formation in the 5th unit boiler of Tunçbi̇lek thermal power plant
FARUK ÖZDEMİR
Yüksek Lisans
Türkçe
2014
Makine Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. YAKUP ERHAN BÖKE
- Binalarda kullanıcıların acil durum davranışının ve hareketinin etmen tabanlı bir model ile temsili ve benzetimi
Simulation and representation of ocupants? emergency behaviour and movement in buildings using an agent based model
NEŞE ÇAKICI ALP
- Kanal içinde yoğuşmanın sayısal modellenmesi
Numerical modelling of condensation in channel flow
MUTLU İPEK
Yüksek Lisans
Türkçe
2015
Mühendislik Bilimleriİstanbul Teknik ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
YRD. DOÇ. DR. LEVENT ALİ KAVURMACIOĞLU