השפעתם של צורות חלקיקים ודנות על סימנטציה דינאמית

תהליך המשקעים הוא אבן הפינה של המערכות הסביבתיות הטבעיות ומבצעים תעשייתיים מונדסים.זה מתאר את התיישבות של חלקיקים באמצעות נוזל - מים או אוויר נטולי רחמים, בעוד שהפיזיקה הבסיסית של השמדה עשויה להופיע פשוט, ההתנהגות של חלקיקים אמיתיים הופכת מורכבת מאוד על ידי שני מאפיינים הנדסיים ראשוניים: צורה ודחיסות אלה לא רק את המהירות של דגנים בודדים אלא גם דינמיקה של חומרים משניים של דחיסות של חומרים.

נקודת המוצא הקלאסית לניתוח של משקעים היא חוק הפיסול, המתאר את כוח הגרור על שטח קטן וחלקי המתיישב במספרים נמוכים של ריינולדס. עם זאת, חוק זה הוא אידיאליזציה. חלקיקים טבעיים - דגנים, flocs, flocs, Plankton, microplastics - הם כמעט אף פעם לא pherical, ואת הניתנות שלהם להשתנות במידה רבה על בסיס קומפוזיציה וירוסים.

השפעתם של חלקיקים על התנהגות המתמדת

צורת חלקיקים היא נכס רב-ממדי הכולל sphericity, עגולות, angularity, וצורה גיאומטרית כוללת. גורמים אלה קובעים ישירות כיצד חלקיקים אינטראקציה עם נוזל שמסביב, בעיקר באמצעות שינויים ב- גרור coefficient.

« « פרמטרים וצורה

הספירקטיות ( ⁇ ) מוגדרת כיחס של שטח פני השטח של כדור עם אותו נפח כמו החלקיק לאזור השטח בפועל של החלקיק. A מושלם ספירה = 1; כל סטייה עולה שטח פני השטח, המוביל לגרור גבוה יותר.מספר גורמים צורה אמפירית מפותחת לשלב sphericity Project לתוך משוואות מהירות התיישבות.

(ב) יישב עם גרור מינימלי ביחס למסה שלהם, השגת מהירויות הטרמינל הגבוהות ביותר עבור קוטר spherical spherical spherical sulf. לעומת זאת, FLT:2ellipsoidal ודיסקנואיד חלקיקים מפוסל 3 (למשל, קשקשים מיקה) ניסיון גדול יותר עקב עלייה של שטח וכיוון תלוי מאוד, נוטה לגרור את זרם איטי מאוד (למשל, כגון נוזל).

המונחים: Settling

קצבה חשובה היא כי חלקיקים לא-ספיריים יכולים לשנות את עצמם כפי שהם נופלים.דיסק יכול להתיישב עם הצד השטוח שלה אופקי או אנכי, בהתאם לתנאים הראשוניים ומספר ריינולדס. במספרים נמוכים של ריינולדס, כוחות מולקווס שולטים, חלקיקים נוטים להתיישב באוריינטציה היציבה ביותר שלהם (מקסם גרר) במספרים גבוהים יותר, אפקטים לא רצויים יכולים לגרום לנטיקה קבועה או לנטייה מתמשכת.

Aggregation and Effective Shape

במערכות טבעיות ומונדסות רבות, חלקיקים ראשוניים יכולים לאסוף כדי ליצור flocs או agglomerates. אלה אשכולות יש צורה יעילה כי הוא לעתים קרובות מאוד לא סדיר ו- fractal-כמו.המהירות ההתנחלות של דחפור תלויה לא רק בצורת החלקיקים העיקריים, אלא גם על הנפיחות והרווחה של הצטברות.

תפקיד ההכחשה בזייף

הכחשה היא הנהג הבסיסי השני של המשקעים.כוח הכבידה הנקי פועל על חלקיק תת-קרקעי נוזל הוא פרופורציה ההבדל בין החלקיק לבין הנוזל ( ⁇ = ⁇ = ⁇ FLT:0pigFLT:1 − ⁇ FLT: 2fFLT 3:2fFLT 3).

הכחדת טרמינל ו-Volocity

(ב) מהירות הטרמינל (vearFLT:0) של חלקיק קשקשים במשטר הסטוקס ניתנת על ידי:03FLT:2vFLT 3tph 3tveFLT:4= (2/9) ( ⁇ /μ)) ⁇ 0 ( ⁇ / ⁇ ) ⁇ 0) ⁇ {\displaystyle ⁇ 0} ⁇ {\displaystyle ⁇ 0} ⁇ 0} ⁇ 0} ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇

עבור חלקיקים בלתי סדירים, אפקט הצפיפות נשאר הכוח המניע העיקרי, אבל תיקון הגרור (גורם סחבת) מוחל על משוואה המהירות.FLT:0:0-density, חלקיקים קומפקטיים FLT:1 (למשל, מגנטיט בהפרדה כבדה) להתיישב במהירות רבה, המאפשר הפרדה תעשייתית יעילה.

קומפוזיציה ומשתנים

צפיפות חלקיקים טבעית אינה קבועה; זה משתנה עם הרכב מירולוגי, פורוזיות, והכללה של חומר אורגני.לדוגמה, מינרלים חימר משתנים בצפיפות מ 2600 עד 2800 ק"ג / m3, בעוד מינרלים כבדים כמו zircon יכולים לעלות על 4600 ק"ג / m3. בהקשרים ביולוגיים, תאי פיטואקטון יש שיניים קרוב לזה של מי הים אבל יכול להתאים את החיודות שלהם באמצעות חיזוי גז מדויק.

השפעות משולבות של צורה והכחשה

ביישומים בעולם האמיתי, צורה וצפיפות אינטראקציה בדרכים שלא ניתן להסגר ליניארית.חלקיק צפופה ולא סדיר יכול להתיישב לאט יותר מאשר ספירה פחות צפופה של אותה המסה, כי עלייה של גרר המושרה צורה עולה על היתרון הדחיסות.

תיקונים ללא ממד

כדי להסביר אפקטים משולבים, מהנדסים משתמשים בקבוצות ללא ממד כמו מספר ריינולדס (Re = ⁇ Fillo:0 phcioFLT:1 v d / מיקרו) ו- גרור תיקון בצורת act (CIRLT:2DigFLT:2DigFLT 3:0) עבור חלקיקים לא מפופריים, פרויקט גרור פעוט באופן משמעותי מן המשטח הסטנדרטי.

לדוגמה, האגרנל ההידר ו-Levenspiel נותן CFearLT:0 (DFelo:0) 1 (DFelo) כפונקציה של מספר sphericity ו-Ryson, ומאפשר חישוב של מהירות הטרמינל עבור חלקיקים עם צורות מזווית לסיבוב.

אפקט של טיבולנס ושל שיר

בזרימה סוערת, צורה ואפקטי צפיפות הופכים אפילו יותר בולטים. חלקיקים עם קשקשים גבוהה צפיפות גבוהה הם פחות סיכוי לעקוב אחר אדי נוזל נוטה יש מהירויות התיישבות גבוהות יותר אפילו בתנאים סוערים. Irregular, חלקיקים דל-density יכול להיות מחוספס בקלות ומעביר מרחקים ארוכים.

גישות ניסיוניות ומודליות

סיווג מדויק של צורת חלקיקים וצפיפות הוא חיוני לחיזוי של המשקעים. מגוון של טכניקות ניסיוניות מודלים חישוביים מועסקים במחקר ובתעשייה.

המונחים: particle shape

שיטות מדידה כוללות ניתוח תמונה דינמי (למשל, באמצעות QICPIC או מכשיר דומה), microscopy, ו diffraction לייזר עם תיקון צורה. דינמית ניתוח תמונה לוכד אלפי חלקיקים בזרם זרימה, מתן התפלגות של sphericity, היבט, עגולות, ו convexity. forיישב מחקרים, FLT:0projected Zoneed AreaFalrated הוא לעתים קרובות יותר מדד X-D.

המונחים: particle Density

ניתן למדוד את ההכחשה באמצעות pycnometry, הפרדה חודרת, או עמודות ⁇ צפיפות. עבור ⁇ או חלקיקים מצטברים, צפיפות המעטפה (כולל pres) רלוונטי יותר עבור סימנטציה מאשר צפיפות חומר אמיתי. מכשירים כמו helium pycnometer לתת צפיפות אמיתית, בעוד צפיפות המעטפה יכולה להיות נחושה באמצעות כספית porosimetry או על ידי שקלה בזהירות ומדידה באמצעות נפח באמצעות עקירה.

מבחן טור

עמודות מעבדה הן שיטה פשוטה להתבונן דינמיקה של סימנטציה ישירות, אבל הם דורשים שליטה זהירה של צורת חלקיקים וצפיפות לבודד את ההשפעות שלהם. על ידי שימוש חלקיקים מוכר היטב (למשל, זכוכית חרוזים עם sphericity ו צפיפות ידוע, או חלקיקים מודפס 3D), החוקרים יכולים לאמת מודלים תיאורטיים.

Fluid Dynamics (CFD)

סימולציות CFD, במיוחד באמצעות שיטת האלמנטים של Discrete Element (DEM) בשילוב עם פותרי נוזלים, מאפשרות חקירה מפורטת של צורה ואפקטי צפיפות על התנהגות חלקיקים קולקטיבית.כל חלקיק יכול להיות מוקצה צורה ריאלית, צפיפות וחוספס פני השטח. סימולציות כאלה משמשים יותר ויותר לתכנון משחתות, עששים, ומצעים נוזליים.

יישומים ברחבי שדות

ההשפעה המשולבת של צורת חלקיקים וצפיפות על דינמיקת המשקעים יש השלכות מעשיות מרחיקות לכת.

מים וטיפול במים

בצמחי טיפול, המטרה היא להסיר מוצקים מושעה ביעילות.למלה מבהירים ופורצת שמיכות מתפתלות מסתמכות על המאפיינים המתיישבים של flocs.צורה של flocs, לעתים קרובות בלתי סדירה ושברירית, בשילוב עם צפיפות יעילה נמוכה שלהם, הופך אותם להתיישב לאט אלא אם כן מהנדסים ממוזגים מבחינה כימית בוחרים קוגנינטים וfloulants לייצר דחוסים יותר, מעוגלים יותר, ממרחקים יותר, באופן מהיר יותר, כלומר:

גיאולוגיה וסוציולוגיה

סלעים סדמנטיים מתעדים את הצורה והדחיסות של חלקיקים בזמן של פיזור דגנים (לדוגמה, גרגרי קוורץ מעופפים היטב באבני חול מעידים על סביבות אנרגיה גבוהות, שבו רק חלקיקים צפופים, עמידים לשרוד תחבורה.בניגוד, נוכחות של שברים angular ליטרים מוארים מציעה קבורה מהירה.

עיבוד מינרלים תעשייתי

בעיבוד מינרלים, סימנטציה משמשת לסיוג וסמיך.לדוגמה, במינוי של אונה ברזל, מאגדים ספירליים נפרדים המבוססים על שילוב של צפיפות וצורה. Dense, דגנים hematite מעוגלים נתפסים, בעוד שכנופיות קלות, מטבוליות מסולפות נדחות באופן דומה, מטיפוס חלקיקים על ידי ריצוף מהירות, וידע של אפקטים חיוניים להשגת קיצוצים חדים וקטבים (כמו חומריים).

הנדסה סביבתית ומיקרופלסטיקה

(העברה וגורלם של מיקרופלסטיק בסביבה הוא דאגה דחופה.חלקיקים מיקרופלסטיים יש דחיות החל מלמטה זה של מי הים (פוליילן, פוליפרופילן) מלמעלה (התחזית הפוליאל כלורידיד, הראתה פוליאתילן טטרפילטה באופן משמעותי את הצורות שלהם - סיבי החשבונאות, קטעים, סרטים, אזורים - למשל, סיבים מיקרופלסטיים ליישבים עד לכדי ספקטרום עמוק של מים).

יישומים רפואיים ותרופות

בתעשיית התרופות, התנהגות הסיומנטציה של חלקיקי סמים בסירופים או השעיה בלתי ניתנת להזרקה חייבת להיות נשלטת על מנת להבטיח מינון אחיד. Particle צורה (למשל, גבישים בצורת מחט לעומת חלקיקים חסום) וצפיפות (לעתים קרובות קרוב נוזל הרכב) משפיעים הן על סידמנטציה והן על החיסרון. פורמולטורים משתמשים בגולשים או עקבים כדי ליישב, אבל הבנה של דינמיקה בסיסית עוזרת אופטימיזציה של חלקיק.

כיוונים עתידיים ואתגרים מתעוררים

ככל שמידתיות ויכולות חישוביות מתקדמות, היכולת לחזות דינמיקה של משקעים מעקרונות ראשונים ממשיכה להשתפר.

Machine Learning for Drag Prediction

מודלים סטנדרטיים של תיקון צורה מסורתית מסתמכים על כמה פרמטרים (ספיריקטיביות, יחס היבט) מודלים למידת מכונה יכולים לעבד מאות של תיאורי גאומטריים מ- 3D סריקות ופלט חזו CIRFLT:0DigFLT:1 עם דיוק גבוה יותר. גישה זו היא בעלת ערך במיוחד עבור חלקיקים לא סדירים מאוד, כגון מינרלים מרוססים או מיקרופלסטיקים, אשר אינם מתאימים לצורות פשוטות של נתונים אלה ניתן לשלב מודלים DFDFEM כדי להשעידוד מודלים סימולציה.

השלכות על לכידת פחמן ואחסון

בתפיסת פחמן גיאולוגית, COIRFLT:0.203IRLT:1 מוזרק לתוך אקוויפר עמוק, שבו הוא יוצר זרמים כי עלייה בשל buoyancy. עם זאת, אינטראקציה של COSTSTFLT:2FLT 3 עם שפע יכול לגרום משקעים של מינרלים פחמן.

זרמים טבעיים ומהנדסים עם חלקיקים ביולוגיים

חלקיקים ביולוגיים כגון תאים, אצות, שלג ימי יש צורות מורכבות ותצפיות כי שינוי לאורך זמן.לדוגמה, צפי שלג ימיים הם מאוד ⁇ ושברטל; המהירות ההתנחלות שלהם משפיעה על משאבת פחמן האוקיינוס.התקדמות בדמיית זיהוי ו המעקב חלקיקים החלים כי רבים מצטברים קומפקטיים ליבות ותחומים חיצוניים מוארכים, המוביל לנטייה עצמאית.

לסיכום, הדינמיקה של חלקיקים נשלטת ביסודה על ידי ההשפעות הבלתי נפרד של צורה וצפיפות. בעוד חלקיקים pherical, גבוהה-density משמשים אידיאלים תיאורטיים נוחים, יישומים בעולם האמיתי דורשים הכרה של האטה המושרה על ידי תופעות לוואי בלתי סדירות ואפקט המואצת על ידי סימולציה יעילה יותר, על ידי סימולציה יעילה יותר על ידי סימולציה יעילה יותר.