Skip to main content
SUPERVISOR
Ahmad Reza Pishevar,Mahmud Ashrafizadeh
احمدرضا پیشه وراصفهانی (استاد راهنما) محمود اشرفی زاده (استاد مشاور)
 
STUDENT
Faezeh Looki anaraki
فائزه لوکی انارکی

FACULTY - DEPARTMENT

دانشکده مهندسی مکانیک
DEGREE
Master of Science (MSc)
YEAR
1388

TITLE

Investigation of Surfactants Behavior under Shear Flow with Dissipative Particle Dynamics
Amphiphilic surfactants are important components in many applications such as the detergents, cleaning agents, emulsifiers in food, pharmaceuticals, cosmetics and also drag reduction. Whereas a shear flow applied on a surfactant solution influences the self-assembled structure of surfactant molecules, understanding the shear effects on the surfactant molecular assemblies is of importance. This great interest is being reflected in the large number of experimental and theoretical studies. The study of these self-assembling systems however, is quite challenging because of the different length scales and the associated different times scales involved in the problem which implies large system sizes and long simulations. Therefore, we need a multi-scale scheme that spans the required length and time scales, at the same time preserving the important aspects of the atomistic model. The goal of this thesis is to investigate the behavior of surfactant under shear flow by dissipative particle dynamics. Dissipative particle dynamics (DPD) is an emerging method for simulating problems at mesoscopic time and length scale. Studying the DPD methodology based on dimensionless numbers and expressing its scales in terms of physical units can open ways to understand the physical behavior of the system and to model practical problems. In the DPD method the surfactant is modeled using particles, which connected by harmonic springs. Self assembly of surfactant molecules is investigated to form a wide range of structures such as spheres, cylinders, bilayers and double bilayers. Then Shear flow is applied on a surfactant solution by means of Lees–Edwards boundary conditions. The rheological behavior of surfactant such as the morphology of micelles, the shear rate dependence of shear viscosity of the micellar solution and viscoelasticity of solution in different concentrations solutions and different shear rates are examined. The results has been shown that the first shear thickening at low shear rate is accrued, which is caused by the growth of spherical micelles, while the consequent shear thinning for higher shear rates is caused by orientation of micelles by increasing the shear rate. Results showed the stretching of spherical micelles in the flow direction under shear flow and the occurring a microstructural transition in high shear rates from spherical to rod-like structure. We also measured the first and second normal stress difference. The results show that the first normal stress difference increases as shear rate raises, whereas the second normal stress difference (N2) is almost zero. The first normal stress difference is increased as concentration increased because of viscoelasticity effects. As a next step dissipative particle dynamics method is used for exploiting the behavior of surfactants under poiseuille flow. Morphology of micelles, velocity profile and density profile are examined and it will be shown that micelles migrate to the regions with maximum velocity and stretched in the flow direction. This behavior is shown in both reverse poiseuille flow and poiseuille flow with solid boundary. The steady velocity profiles are calculated. The results illustrate that, when surfactants are added to the water, the velocity profiles will be dampened and when driven force are raised, the average velocity will be increased.In high concentration of surfactant velocity profile will be flatted because of viscoelasticity effects. Key Words : Surfactant, Shear flow, Dissipative particle Dynamics Method, Viscosity, Viscoelastic fluid, Poiseuille flow.
با توجه به کاربردهای فراوان سورفکتان‌ها در زمینه های مختلف نظیر شویندگی، نساجی، صنایع بهداشتی و داروسازی، صنایع نفتی و همچنین کاهش درگ، و از آنجاییکه جریان برشی اعمال شده به محلول سورفکتان بر ساختار تجمعی مولکول‌ها‌ی سورفکتان اثر می‌گذارد، فهم اثر برش بر روی خود جمعی مولکول‌ها‌ی سورفکتان از اهمیت زیادی برخوردار است و منجر به آزمایشات تجربی و مطالعات نظری بسیاری در این زمینه شده‌است. از آنجاییکه در این سیستم ها با گستره ی وسیعی از مقیاس‌ها‌ی زمانی و طولی سروکار خواهیم داشت، نیاز به یک روش چند مقیاسی داریم که بتواند مقیاس‌ها‌ی زمانی و طولی مورد نیاز را پوشش دهد. به این منظور در این پایان نامه برای بررسی رفتار سورفکتان‌ها تحت جریان برشی، از روش DPD به دلیل توانایی های آن در مدل کردن سیالات پلیمری استفاده شده است. بعد از آشنایی با روش DPD و چگونگی کاربرد آن، سورفکتان‌ها با استفاده از مدل ذره-فنر شبیه‌سازی شده و خود جمعی مولکول های سورفکتان در تشکیل مایسل های کروی، استوانه ای و دو لایه ای بررسی می شود. سپس محلول سورفکتان تحت جریان برشی که توسط شرط مرزی لیز-ادوارد اعمال می گردد، قرار گرفته و رفتار رئولوژیکی سورفکتان شامل تغییر شکل مایسل ها و تغییرات ضریب لزجت محلول مورد بحث واقع می شود. نتایج حاصل نشان داد که ضریب لزجت محلول ابتدا در اثر افزایش اندازه مایسل ها افزایش یافته و سپس به علت کشیدگی آن‌ها و هم سو شدن با جهت جریان، ضریب لزجت کاهش می یابد. اختلاف تنش نرمال اول و دوم نیز برای محلول سورفکتان محاسبه شد. نتایج نشان داد که اختلاف تنش نرمال اول با افزایش نرخ برش زیاد می شود و اختلاف تنش نرمال دوم تقریباً مقداری برابر صفر خواهد داشت که از ویسکوالاستیک بودن محلول نتیجه شده است. در نهایت رفتار سورفکتان‌ها تحت جریان پویزویل مورد بحث قرار گرفته و نشان داده شده است که مایسل های تشکیل شده تمایل به مهاجرت به سمت مناطق پرسرعت در عرض کانال را دارند و این رفتار هم در جریان پویزویل برگشتی و هم در جریان پویزویل با دیواره جامد مشاهده شده است. نتایج حاصل از ترسیم پروفیل های سرعت نیز نشان دادکه با افزایش نیروی محرکه، سرعت افزایش یافته و با افزایش غلظت سورفکتان، سرعت جریان کم می شود. همچنین وقتی غلظت سورفکتان افزایش می یابد، پروفیل سرعت تخت تر می شود که از ویسکوالاستیک بودن محلول سورفکتان نتیجه شده است و درمقادیر بالای نیروی محرکه زمانی که مایسل های میله ای شکل در محلول ایجاد می شوند به وضوح دیده می شود. کلمات کلیدی : سورفکتان، جریان برشی، روشDPD، ضریب لزجت، سیال ویسکوالاستیک، جریان پویزویل

ارتقاء امنیت وب با وف بومی