Skip to main content
SUPERVISOR
محسن دوازده امامی (استاد راهنما) هاشم رفیعی تبار (استاد راهنما) مجتبی محزون (استاد مشاور)
 
STUDENT
Hamid Jannesari Ladani
حمید جان نثاری لادانی

FACULTY - DEPARTMENT

دانشکده مهندسی مکانیک
DEGREE
Doctor of Philosophy (PhD)
YEAR
1384

TITLE

Computational Modeling of Fluid-Structure Interaction:The Stability of Carbon Nanotubes Conveying Fluid and the Aging of Lithium Ion Batteries
In the field of nanofluidics, the fluid-structure interaction is a crucial consideration. In this work, we have developed the current fluid-structure interaction models in two different areas. In the first part, we have studied the fluid flow through single-walled carbon nanotubes. The nonlinear Donnell shallow shell formulations are further developed to model nonlocal effects in the nanotube. Moreover, a bi-viscosity mathematical model is used to consider the effect of the depletion layer near the wall on the structure stability of single walled carbon nanotubes (SWCNTs). Simulation results reveal non-stabilizing behavior of nonlocal effects which attenuates with an increase in the tube radius. Moreover, the results show that viscosity has an enormous stabilization effect for 40 nm diameter SWCNTs but it could be ignored for 3.5 nm diameter SWCNTs. In the second part, we deal with the aging model of lithium ion batteries. For the first time, the variation of solid electrolyte interface (SEI) across the depth of anode is modeled. It is anticipated that a more critical condition prevails at the electrode side connected to the separator. The present work also investigates the effects of variations in the morphological parameters across anode electrode and electrolyte parameters on the uniformity of side reaction. Keywords: Fluid Structure Interaction; Carbon Nanotube; Depletion Layer; Nonlocal; Lithium ion battery; Aging.
امروزه بررسی اثرات متقابل جامد و سیال در ابعاد میکرو و نانو در زمینه‌های گوناگون مهندسی مورد توجه محققان می‌باشد. در تحقِق حاضر به توسعه مدل‌های مورد استفاده برای مطالعه این اثرات در دو حوزه مختلف پرداخته شده است. در ابتدا، عبور جریان سیال درون نانولوله کربنی و اثر آن بر ناپایداری ساختار نانولوله مورد بررسی قرار گرفته است. در ادامه، حرکت گونه‌های یونی مختلف درون سیال و جامد در محیط متخلخل باتری لیتیم یونی و اثرات آن بر عمر باتری مورد ارزیابی قرار گرفته است. در قسمت اول، مدل استاندارد پوسته غیرخطی دانل برای بیان رفتار ساختار جامد در اثر عبور جریان سیال در ابعاد نانو توسعه داده شده است. در اینجا سرعت بالای توده سیال از طریق نیروهای اینرسی باعث تقویت نیروهای جانب مرکز و کریولیس و از طریق لزجت باعث تغییر نیروی فشار ایستایی درون لوله و نیز ایجاد نیروی عکس‌العمل محوری در تکیه‌گاهها می‌شود. با توجه به تاثیر قابل‌ملاحظه لایه کم‌تراکم نزدیک دیواره نانولوله کربنی بر لزجت سیال، برای اولین بار روابط حاکم بر سیال به منظور درنظرگرفتن این اثر اصلاح شده است. همچنین به دلیل اهمیت اثرات غیرموضعی در مقیاس کوچک، معادلات بیان‌کننده رفتار جامد برای در نظر گرفتن این اثرات تعمیم یافته‌اند. برای بررسی اثر بستر ارتجاعی بر پایداری نانولوله نیز از مدل وینکلر استفاده گردیده است. بر خلاف مدل خطی دانل، مدل غیرخطی حاضر ناپایداری نانولوله در اثر حرکت سیال را به ویژه برای نانولوله‌های با نسبت طول به قطر بزرگتر، در سرعت‌های بسیار کمتر پیش‌بینی می‌کند. همچنین مدل حاضر پیش‌بینی می‌کند با افزایش نسبت طول به قطر، سرعت‌های بحرانی به سمت مقادیر ثابتی میل می‌کنند و از نسبت طول به قطر مستقل می‌گردند. نتایج بررسی اثرات لزجت نشان می‌دهد در جریان آب درون نانولوله کربنی، وجود لایه کم‌تراکم با کاستن از مقدار لزجت نزدیک دیواره، باعث تضعیف اثرات آن می‌شود. با کوچک شدن شعاع نانولوله بخش بیشتری از جریان در ناحیه کم‌تراکم قرار گرفته و لذا جریان سیال بیشتر تحت تاثیر این لایه قرار می‌گیرد. در شعاع nm 20، با وجود لایه کم‌تراکم، لزجت همچنان تاثیر قابل‌ملاحظه‌ای بر افزایش فشار درون نانولوله و افزایش پایداری ساختار نانولوله دارد. اما در شعاع nm 5/3، لایه کم‌تراکم تقریباً اثرات لزجت را حذف می‌کند. مقایسه نتایج بررسی اثرات غیرموضعی نشان می‌دهد که اهمیت این اثرات با کاهش شعاع نانولوله افزایش می‌یابد و رفتار آنها در جهت تسریع ناپایداری در نانولوله‌ می‌باشد. همچنین تاثیر بستر ارتجاعی به کمک مدل وینکلر نشان می‌دهد با افزایش ضریب وینکلر مقدار سرعت بحرانی به سمت مقادیر بیشتر حرکت می‌کند. در قسمت دوم برنامه Dualfoil.5.1 که با بررسی چگونگی تولید و انتقال یونها و الکترون‌ها در سیال و جامد متخلخل، رفتار باتری لیتیم یونی را پیش‌بینی می‌کند اصلاح شده تا امکان درنظرگرفتن وابستگی کمیت‌های مختلف ریخت‌شناسی به عرض الکترود و انجام محاسبات برای تعداد چرخه‌ پر و خالی متعدد فراهم گردد. به منظور بررسی برخی فرضیات آزمایش‌هایی نیز در این بخش انجام شده است. نتایج تجربی در کار حاضر نشان می‌دهد در باتری‌های لیتیم یونی با فناوری روز می‌توان مقدار تخلخل در الکترودها را حین فرایند پر و خالی شدن ثابت درنظرگرفت. در بخش شبیه‌سازی، برای اولین بار، تغییرات ضخامت لایه تشکیل‌شده روی جامد در سطح مشترک جامد و الکترولیت، SEI ، در عرض الکترود در اثر تغییرات واکنش شیمیایی جانبی شبیه‌سازی و از آن به عنوان معیاری برای بررسی شدت شرایط بحرانی استفاده شده است. بر این اساس، نتایج پیش‌بینی می‌کنند سمتی از الکترود که با جداکننده تماس دارد، بدترین شرایط را تجربه می‌کند. در ادامه، به بررسی اثر کمیتهای مختلف بر کنترل یکنواختی لایه SEI در عرض الکترود پرداخته شده است. نتایج نشان می‌دهد هدایت یونی الکترولیت اثر زیادی بر نایکنواختی دارد و افزایش این کمیت باعث بهبود کارآیی و افزایش عمر باتری می‌شود. افزایش ضریب نفوذ، یکنواختی در ضخامت و مقاومت الکتریکی SEI در عرض الکترود را بهبود می‌بخشد، اما نرخ بهبود با افزایش ضریب نفوذ کاهش می‌یابد. همچنین نتایج بررسی اثر خواص مربوط به ریخت‌شناسی بر یکنواختی لایه SEI نشان می‌دهد ‌در حالتی که ذرات فعال از کره‌هایی با سطح هموار تشکیل شده‌ که کاملاً در تماس با ملکولهای الکترولیت هستند تغییر کمیت‌های ریخت‌شناسی در عرض الکترود اثر قابل‌توجهی روی تشکیل لایه SEI و مقاومت الکتریکی آن ندارد. ولی، اگر هر سه پارامتر تخلخل، شعاع ذرات فعال و سطح مشترک مستقل از هم دارای شیب مثبت در عرض الکترود باشند، ضخامت SEI یکنواخت‌تر می‌شود. این نکته می‌تواند معیار انتخاب ریخت‌های جدید برای قسمتی از آند که در تماس با جداکننده است، باشد. کلمات کلیدی: نانولوله‌کربنی، نظریه غیرموضعی، لایه کم‌تراکم، پایداری، باتری لیتیم یونی، ریخت‌شناسی

ارتقاء امنیت وب با وف بومی