محاسبه خواص انتقالي سيالات در نانو کانالها با استفاده از روش ديناميک مولکولي
با استفاده از روش ديناميک مولکولي خواص ترموديناميکي سيالات مانند ضرايب ديفيوژن و ويسکوزيته سيال در سيستم ها در مقياس نانو به خوبي قابل پيش بيني مي باشند. در کار حاضر ضرايب ديفيوژن و ويسکوزيته سيال لنارد-جونز در دماهاي و چگالي هاي مختلف محاسبه شده اند. تعداد ذرات در نظر گرفته شده براي شبيه سازي، 108و 256، 500 و 1372 ذره مي باشند. بررسي ضرايب ديفيوژن و ويسکوزيته در دماها و چگالي هاي مختلف نشان مي دهد که با افزايش چگالي، ضريب ديفيوژن کم و با افزايش دما، ضريب ديفيوژن افزايش مي يابد. همچنين وابستگي ضريب ويسکوزيته به دما و چگالي بررسي گرديده و نشان داده شده است که در چگالي هاي کم يعني در فاز گازي، همانطور که انتظار مي رود، ويسکوزيته با افزايش دما افزايش مي يابد در حالي که در چگالي هاي مربوط به فاز مايع، ويسکوزيته با افزايش دما کاهش پيدا مي کند. علاوه بر تاثير دما و چگالي بر ضرايب انتقالي، وابستگي اين ضرايب به اندازه ي سيستم نيز برسي گشته و مشاهده شده است که با کاهش اندازه ي سيستم( رسيدن اندازه ي سيستم به چند نانومتر)، ضريب ويسکوزيته به شدت افزايش مي يابد، در حالي که در مقياسهاي بزرگتر (بزرگتر از 100 نانومتر)، اندازه ي سيتم بر ويسکوزيته تاثيري ندارد. همچنين اين بررسي نشان مي دهد که در چگالي هاي مربوط به فاز مايع با کاهش اندازه ي سيستم ضريب ديفيوژن کاهش مي يابد. تاثير اندازه در چگالي هاي خيلي کم، رو به کاهش مي رود، همچنين با افزايش اندازه سيستم، وابستگي ضريب ديفيوژن به اندازه سيستم از بين مي رود. نتايج حاصل از شبيه سازي ديناميک مولکولي با نتايج موجود براي ضريب ديفيوژن در سيستم هاي با مقياس ماکرو مقايسه و مشاهده گرديد که با کاهش اندازه ي سيستم (به سمت مقياسهاي نانو) نتايج پيش بيني شده قبلي براي ماکرو سيستمها اعتبار ندارند. اين بررسي نشان مي دهد که روش ديناميک مولکولي اثرات ناشي از کاهش اندازه سيستم بر روي ضرايب انتقالي سيال مانند ضرايب ديفيوژن و ويسکوزيته را به خوبي پيش بيني مي کند. نتايج به دست آمده از اين کار با نتايح هيس مقايسه گرديده است و مشاهده شده است که با افزايش اندازه سيستم نتايج به دست آمده با نتايج هيس که براي ماکرو سيستم ها به دست آمده است، اختلاف کمتري پيدا مي کنند.
پارامترهاي موثر در تعيين ويسكوزيته
مقدمه :
تعیین مقدار ویسکوزیته در انواع مواد اولیه و محصولات مانند شامپو ، مایع دستشویی ، ژل ها و محلولها از اهمیت ویژه ای برخوردار است و یکی از فاکتورهای نسبتا مهم در آنالیز نمونه است .
مقدار ویسکوزیته نسبت مستقیم با ماهیت نیوتونی مواد دارد . اگر نمونه ماهیت نیوتونی داشت (یعنی بر همکنش یا برآیند نیروها در مرکز ثقل نمونه صفر بود) مقدار ویسکوزیته با تغییر سرعت و تغییر اسپیندل ثابت خواهد ماند . اما اگر نمونه ماهیت نیوتونی نداشت مقدار ویسکوزیته به عوامل زیادی بستگی پیدا خواهد کرد . از جمله با تغییر اسپیندل ، تغییر سرعت و حتی با تغییر Source مواد سازنده نیز تغییر خواهد کرد .
در نتیجه تعیین مقدار ویسکوزیته مواد اولیه و محصولات یک کار کاملا تجربی است که تعریف محدوده برای هر Sample یک پروسه طولانی دارد که شامل عوض کردن اسپندل های مختلف در سرعت های مختلف و در عین حال ثابت بودن دما در رنج 20-25°c می باشد .
خصوصيات دستگاه
در شرکت ایران ناژو از دستگاه ويسكومتر شركت Broodfield آمريكا مدل LV با مشخصات DV-II+V استفاده شده است و قادر به خواندن 18 رنج سرعت مي باشد .
دما :572ºF) تا148ºF- (300ºC تا100ºC –
تُرك : 0-100%
صحت ويسكوزيته : 1.0% ±
صحت دما :149ºC+ تا 100ºC - :1ºC ±
300ºC+ تا 150ºC + :2ºC ±
رنج ويسكوزيته : (مدل+ LVDV-II)6000000CP - 15
دماي محيط اپراتوري : 0ºC-40ºC (32ºF-104ºF)
رطوبت محيط اپراتوري :20%-80% R.H. : non - Condensing at mosphere
دستگاه ویسکومتر بايد سالي يكبار توسط شركت سازنده كاليبره شود .
تعاریف :
ويسكوزيته :(Viscosity) : نسبت مقاومت سيال به فلوي ايجاد شده را ويسكوزيته مي نامند .
گشتاور : (Torque) : نيرويي كه لازم است بر اسپيندل وارد شود تا با توجه به ويسكوزيته در نمونه بچرخد.
واحد ويسكوزيته :(cp)Centipoise يا ميلي پاسكال ثانيه (mpas) يا Shear Stress است.
شرح دستگاه :
ويسكومتر شامل قسمتهاي زير است :
اسپيندل :(Spindel) : محورهای چرخشي بنام Spindel وجود دارد که هرچه نمونه ، ويسكوزيته بالاتري داشته باشد شماره اسپيندل بالاتر مي رود .
چرخش Spindel در نمونه به سرعت و سايز آن ، ظرف حاوي نمونه و به ميزان گشتاور (Torque) بستگي دارد .
گارد : براي محافظت از Spindel در بدنه دستگاه تعبيه شده است .
سنسور دما : ويسكوزيته به دما بستگي زيادي دارد . دماي بالا ويسكوزيته را پائين نشان مي دهد .پس بايد به رنج دما در نمونه هاي آناليز توجه كنيد .
ظرف حاوي نمونه : از يك بشر 250ml استفاده كنيد كه گاردوسنسور دما و اسپيندل (دقيقا تا خط نشانه روي اسپيندل) در آن قرار گيرند .
مهم : باید توجه داشت که تعیین مقدار ویسکوزیته در نمونه های مشابه و یا در حالت مقایسه باید در شرایط کاملا یکسان باشد .
روش بدست آوردن رنج ویسکوزیته
1-از پائین ترین شماره اسپندل شروع کنید . برای تعیین مقدار ویسکوزیته پائین ترین شماره ارجحیت دارد .
2-در هر مرحله برای تعیین ویسکوزیته خصوصا در RPM های پائین ، حداقل یک ربع زمان بگذارید .
3-پس از تعیین شماره اسپندل ، اگر نسبت تغییر سرعت ، متناسب با تغییر ویسکوزیته بود ، نشان می دهد نمونه ماهیت نیوتونی دارد و از ترکیب یکنواختی برخوردار است و به عبارتی :
∆ RRM ~ ∆ Viscosity
4-جدول ویسکوزیته را تشکیل دهید . سپس با همه اسپندل ها و همه سرعتها ویسکوزیته نمونه را گرفته و فقط مقادیری را که دارای ترک بالای 50% هستند در جدول یادداشت کنید .
5-با انتخاب پائین ترین اسپندل که بالاترین ترک و بالاترین سرعت را در جدول داراست رنج ویسکوزیته را برای نمونه انتخاب کنید .
رسم جدول
براي تعيين مقدار درست ويسكوزيته جدولي رسم كنيدكه عنوانهاي زير را دارا باشد.
تاريخ آزمايش- نام نمونه- شماره اسپيندل -سرعت ويسكوزيته (CP) % -ترك دما( Cº ).
از اسپيندلي با شماره كم شروع كنيد و مقادير سرعت ، Torque و .... را درجدول بالا يادداشت كنيد از بين مقادير خوانده شده ويسكوزيته اي را انتخاب كنيد كه داراي بالاترين سرعت و ترك باشد .
ترك زير 10 قابل قبول نيست و بهتر است سرعت و ترك بالاي 50 باشند . اگر دستگاه قادر به خواندن مقادير ويسكوزيته نباشد حروف EEEE را نشان مي دهد .
عيب يابي دستگاه :
براي اطمينان از صحت نتايج از هر يك از روشهاي زير ميتوان استفاده كرد .
1- ماهي يكبار ويسكوزيته موادي را كه مقادير ويسكوزيته آنها در برگه آناليز داده شده است ، با توجه به رنج دماي داده شده ، اندازه گرفته و سپس مقايسه نمائيد . مقدار ويسكوزيته بايد در يك حدود باشد.
2-ويسكوزيته يك نمونه با غلظت معمولي را بمدت يك هفته هر روز اندازه بگيريد . در يك هفته بايد تغييرات ناچيز باشد .
3-نمونه را به مدت سه ساعت مورد اندازه گيري قرار دهيد . اسپيندلي را كه مناسب آن است انتخاب كرده و با كشيدن جدول ويسكومتر يك ربع به يك ربع نتايج را يادداشت كنيد . در طول سه ساعت نبايد مقدار ويسكوزيته تغيير كند . روز بعد همين آزمايش را تكرار كنيد . بايد نتايج مشابهي بدست آيد .
اگر با انجام دادن اين كارها به نتيجه نرسيديد با شركت سازنده تماس حاصل كنيد .
نگهداري از دستگاه
4-1-اسپيندل ها بسيار حساس هستند و نبايد ضربه بخورند . براي شستن آنها نبايد از مواد خورنده استفاده كرد . پس از شستن با آب و خشك كردن در جاي مخصوص خود قرار دهيد .
4-2-هيچ وقت گارد را باز نكنيد و با پي ست محتوي آب RO آن را شسته و خشك نمائيد . هميشه مواظب باشيد آب به بدنه دستگاه نخورد .
4-3-پس از پايان كار حتما پيچ سياه مخصوص محور گرداننده را ببنديد تا از ضربه هاي احتمالي به آن محافظت شود .
پاسخ : پارامترهاي موثر در تعيين ويسكوزيته