Mapa strony:
Eksperymentalne i numeryczne badania ośrodków porowatych
Temat powstał w roku 2007 w związku z rozszerzaniem zainteresowań dotycząch modelowania układów typu fluid-solid.
Obecnie zrealizowane prace:
- podstawowe badania eksperymentalne (granulat szklany):
- wykonanie wstępnych badań na istniejącym stanowisku laboratoryjnym
- analiza wyników i wyliczenie parametrów użytego ośrodka porowatego
- analiza jakości wyników doświadczalnych
- modernizacja stanowiska do badania ośrodków porowatych (rozszerzenie zakresu i dokładności pomiarów)
- wykonanie pomiarów na zmodernizowanym stanowisku
- podstawowe badania eksperymentalne (żwiry naturalne):
- wykonanie pomiarów dla przepływu wody przez dwa rodzajów żwirów naturalnych
- wyznaczenie parametrów złoża porowatego w oparciu o tzw. zagadnienie odwrotne
- podstawowe badania w zakresie modelowania przepływów przez ośrodki porowate (współpraca z dr Anną Trykozko z ICM UW):
- rozpoznanie zagadnień dotyczących złóż porowatych
- rozpoznanie teorii dotyczącej Porous Media Model (PMM)
- nauka stosowania PMM w pakiecie FLUENT
- opracowanie danych doświadczalnych na potrzeby modelu numerycznego
- opracowanie 8 wariantów wyliczania parametrów ośrodka dla modelu Darcy'ego i Forchheimera
- wykonanie symulacji numerycznych dla danych pochodzących z pomiarów
- porównanie wyników uzyskanych eksperymentalnie i numerycznie (uzyskano poziom błędów mniejszy niż 3%)
- wykonanie badań dotyczących sporobu wyliczania współczynnika Forchheimera
- wykonanie analizy dotyczącej granic stosowalności praw Darcy'ego i Forchheimera
- wykonanie analizy błędów dla 8 wariantów wyznaczania parametrów ośrodka porowatego
- wykonanie analizy wrażliwości PMM
- badania dotyczące gruntowych wymienników ciepła (współpraca z dr Krzysztofem Nalepą z UWM):
- rozpoznanie zagadnień dotyczących gruntowych wymnienników ciepła
- nauka tworzenia i korzystania z tzw. stref porowatych
- opracowanie modelu gruntowego wymiennika ciepła
- opracowanie wskazówek co do sposobu wykonywania eksperymentu w celu polepszenia jakości danych doświadczalnych
- badania parametrów różnych ośrodków porowatych stosowanych w gruntowych wymienikach ciepła
- badania dotyczące "porous jump":
- rozpoznanie teorii dotyczącej tzw. "porous jump"
- rozpoznanie możliwości stosowania "porous jump" do modelowania płuczki kolumnowej do ziaren cottage-cheese
- badania w ramach projektu "Pore structures and air flow resistance of bulk solids" (współpraca z Prof. Q. Zhangiem):
- badania koncepcyjne dotyczące możliwości i metod połączeń modeli w mikro- i makro skali
- testy Wielofazowego Modelu Eulera oraz Porous Media Model pod kątem przydatności do realizacji zadania
- opracowanie we Fluencie funkcji użytkownika zawierających modele Darcy i Forchheimera
- opracowanie we Fluencie funkcji użytkownika zawierających modele Ergun i Kozeny-Carmana
- opracowanie zasad definiowania we Fluencie własnych pól skalarnych (opcjonalnie niestacjonarnych) opisujących wielkości charakterystyczne dla ośrodków porowatych
- opracowanie strategii współpracy
- opracowanie kilku koncepcji eksperymentu i wybór koncepcji optymalnej
- przygotowanie projektu stanowiska badawczego do pomiaru oporów przepływów powietrza w dwóch kierunkach przestrzennych
- opracowanie koncepcji wykorzystania wyników symulacji uzyskanych z pakietu PFC3D Flow do obliczania parametrów geometrycznych złoża porowatego
- opracowanie kilku testowych programów komputerowych wspomagających lub prototypujących ideę obliczania geometrycznych parametrów ośrodka porowatego na podstawie danych o lokalizacji i rozmiarach wszystkich sfer w złożu
- opracowanie metody matematycznej oraz algorytmu pozwalającego obliczać tzw. tortuosity (krętność) ośrodka
- implementacja opracowanej metody w autorskim programie PathFinder (Fortran + Gnuplot)
- utworzenie autorskiego postprocesora graficznego ułatwiającego wizualizację wyników dla dużych złóż (Delphi + OpenGL)
- parametryzacja programu PathFinder oraz rozbudowa jego możliwości w zakresie obliczania wszystkich niezbędnych danych dla modeli Ergun oraz Kozeny-Carmana
- opracowanie i implementacja teorii dotyczącej wygładzania obliczonej ścieżki oraz stosowania 5-cio punktowej metody uśredniającej wynik
- stworzenie oprogramowania umożliwiającego prowadzenie analizy wrażliwości dla modeli Ergun oraz Kozeny-Carmana
- walidacja wyników uzyskanych z programu PathFinder za pomocą analizy obrazu złoża o bardzo podobnej strukturze (dane literaturowe, uzyskane przy zastosowaniu promieni rentgenowskich)
- stworzenie dokumentacji opisującej szczegółowo model i algorytm wykorzystany w programie PathFinder (w postaci raportu badawczego)
- budowa stanowiska badawczego do pomiarów spadków ciśnień w dwóch kierunkach
- testy stanowiska badawczego, pomiary wstępne
- wykonanie kilku serii pomiarów dla przepływu w kierunku pionowym
- analiza i obróbka wyników eksperymentalnych
- wykonanie symulacji numerycznych z użyciem opracowanych wcześniej modeli oraz wyników eksperymentu
- porównanie wyników oraz wykonanie analizy błędów (uzyskano poziom błędów mniejszy niż 1%)
- stworzenie oprogramowania przyśpieszającego obróbkę, analizę oraz porównywanie danych
- prace nad poprawą dokładności pomiaru prędkośći filtracji
Rys. 1. Podstawowe rodzaje ośrodków porowatych
Ośrodek porowaty jest to ciało stałe, lub też zbiór takich ciał, zawierające na tyle dużą ilość wolnych przestrzeni, że możliwy jest przepływ przez nie pojedynczych płynów lub ich mieszanin, zwany przepływem filtracyjnym lub filtracją. Przestrzenie wolne, zwane również częścią porową, tworzą w ośrodku porowatym skomplikowaną i najczęściej nieregularną sieć kanalików i połączeń. Część stała ośrodka porowatego może być w postaci sztywnego szkieletu (np. skała wapienna), szkieletu elastycznego (np. układ warstw tkaniny) lub też zbioru cząstek: luźnych bądź też w jakiś sposób z sobą połączonych (np. gleba). Poszczególne fragmenty bądź elementy szkieletu ośrodka porowatego mogą być bardzo różnych kształtów i wielkości i mogą składać się z jednego lub też wielu różnych materiałów.
Rys. 2. Zakresy obowiązywania praw Darcy'ego i Forchheimera
Rys. 3. Stanowisko do pomiarów spadku ciśnień w ośrodku porowatym podczas przepływu wody
Rys. 4. Modelowanie złoża modelami liniowymi (prawo Darcy): wyniki dla przepływu wody przez granulat szklany.
FV (Finite Vulume) - Fluent (obliczenia moje); FE (Finite Element) - autorski program dr Anny Trykozko
Rys. 5. Modelowanie złoża modelami nieliniowymi (prawo Forchheimera): wyniki dla przepływu wody przez granulat szklany.
FV (Finite Vulume) - Fluent (obliczenia moje); FE (Finite Element) - autorski program dr Anny Trykozko
Rys. 6. Badania wrażliwości modelu nieliniowego: wyniki dla przepływu wody przez granulat szklany
Rys. 7. Badania gruntowego wymiennika ciepła: opracowanie modelu z tzw. strefą porowatą
Rys. 8. Badania testowe przepływu przez membranę (tzw. model "Porous Jump")
Rys. 9. Program PathFinder: wizualizacja obliczonej ścieżki w środowisku Gnuplot
Rys. 10. Postprocesor programu PathFinder: wizualizacja obliczonej ścieżki w technologii Open GL
Rys. 11. Przykład działania programu do badań wrażliwości modeli Ergun i Kozeny-Carmana:
spadek ciśnienia w modelu Ergun w funkcji średnicy ziaren granulatu oraz porowatości
Rys. 12. Stanowisko badawcze wykonane na Uniwersytecie Manitoby w Winnipeg