Skip to main content
SUPERVISOR
احمدرضا عظیمیان (استاد راهنما) داود طغرائی سمیرمی (استاد مشاور)
 
STUDENT
Hossein Fayazi
حسین فیاضی

FACULTY - DEPARTMENT

دانشکده مهندسی مکانیک
DEGREE
Master of Science (MSc)
YEAR
1390

TITLE

Investigation of Water Flow in Various Charged, Uncharged, Smooth and Rough Nano-channels by using Molecular Dynamics Simulation Method
In recent decade, water has had extensive applications as base and operative fluid in a lot of industrial and medical nanodevices, such as medical nanopumps for injecting drug continuously in vessels. In viewpoint of biological and industrial applications, it is necessary to study flow behavior and transmission of water molecules under various physical conditions in different nanochannels. In this thesis, by means of Molecular Dynamics Simulation method, the influences of wall electrical charge and roughness on liquid water poiseuille flow in nanochannels with smooth, rough, charged and uncharged walls were studied. Water molecules in real (polar) and nonpolar states has been investigated. In this study, with regard to polar physics of water molecules, the influence of electrical charge in walls on water flow has been studied and the results are compared. Despite some studies that assume water molecules as one rigid nonpolar simple sphere (like argon atoms), in this study, water molecules has been simulated with real physics (hydrogens and oxygens polarity, hydrogen bond and bond flexibility). The velocity and density profiles of water are compared, as two useful and significant parameters. Boundary conditions are periodic in x, y and z directions. Simulations are carried out at temperature of 300 K. The water nondimensional density is assumed 0.995 in all nanochannels. It has been observed that wall roughness affects velocity and density profiles, specially near rough regions. Assumption of nonpolar water molecules does not deviate density profile, but it causes a 40% deviations in velocity profiles compared to polar (real) water molecules. Electrical charges on walls vary density and velocity profiles extensively compared to the uncharged wall. The wall roughness reduces the maximum values of density adjacent to the rough wall and its effects on the water density and water velocity are about 20% and 70% of height of channel. Roughness reduces greatly fluid velocity near the rough wall and reduces the average and maximum velocities in the nanochannel. When the roughness width increases, roughness effects on the velocity and density profiles increases too. Enhancing roughness height causes velocity and density profile deviations. These deviations and reductions due to the roughness height, are more serious than effect of increasing roughness width. Keywords : Nanochannel, Molecular Dynamics Simulation, Water, Roughness.
از نقطه نظر کاربردهای بیولوژیکی و صنعتی، به علت کاربردهای وسیع آب به عنوان سیال عامل و سیال پایه در بسیاری از نانووسیله های صنعتی و پزشکی، به ویژه تجهیزات نانوپزشکی مثل نانوپمپ های پزشکی برای تزریق پیوسته ی داروها در رگ ها و بافت های بدن، و توجه به این مورد که سیال پایه در بسیاری از داروهای تزریقی مایع، آب خالص می باشد، ضروری است که جریان و انتقال ملکول های آب تحت شرایط فیزیکی مختلف درون نانوکانال های مختلف بررسی شود تا رفتار آب با شرایط فیزیکی مختلف درون نانوکانال های با هندسه و شرایط فیزیکی مختلف در ابعاد نانو شناخته شود. در این تحقیق به روش شبیه سازی دینامیک ملکولی به بررسی تاثیر بار الکتریکی و زبری دیواره بر روی جریان پواسل آب مایع درون نانوکانال های با دیواره hy;های مختلف صاف و زبر و در حالات مختلف ملکول های آب با قطبیت و بدون قطبیت پرداخته می شود. با توجه به ماهیت قطبی ملکول های آب، تاثیر باردار بودن دیواره ها بر جریان آب نیز در این پژوهش بررسی شده و نتایج با یکدیگر مقایسه شده اند تا مشاهده شود که این ماده ی حیاتی و پرکاربرد در مقیاس نانو در محیط های باردار الکتریکی چه رفتارهائی از خود بروز می دهد. برخلاف برخی از کارهای مشابهی که برای سادگی کار، ملکول آب را به صورت یک کره صلب بدون بار(شبیه آرگون) درنظر می گیرند، در این پژوهش به منظور استخراج نتایج دقیق تر، ملکول های آب با فیزیک واقعیشان (قطبیت الکتریکی اتم ها، پیوند هیدروژنی و انعطاف پذیری پیوند) مدل سازی و در شبیه سازی ها به کار گرفته شده اند. نتایج به صورت پروفیل های چگالی و سرعتِ جریان(به عنوان دو پارامتر مهم و کاربردی) بررسی و با هم مقایسه شده اند. شرایط مرزی در هر سه جهت x , y , z به صورت پریودیک فرض شده است. شبیه سازی کل فرایند در دمای ثابت °K300 انجام شده است و عدد چگالی بی بعد آب مایع درون نانوکانال ها برابر با 995/0 می باشد. پس از اجرای کدهای نوشته شده و استخراج نتایج، چنین نتیجه گیری شده است که زبری دیواره به شدت بر روی شکل پروفیل های چگالی و سرعت، مخصوصاً در نزدیکی دیوار زبر، تاثیر می گذارد. فرض عدم قطبیت ملکول های آب باعث انحراف پروفیل چگالی حدود %10 ، و سرعت حدود %40 ، نسبت به فرض فیزیک واقعی ملکول های آب می شود. وجود بار الکتریکی بر روی دیواره ها باعث تغییرات شدید پروفیل های چگالی و سرعت، نسبت به حالت دیوار بی بار می شود. وجود زبری، چگالی بیشینه را در نزدیکی دیوار زبر کاهش می دهد و اثر زبری دیواره بر روی چگالی آب تا حدود %20 و بر روی سرعت جریان آب تا حدود %70 از ارتفاع کانال نزدیک دیوار زبر نفوذ می کند. وجود زبری، سرعت سیال را در نزدیکی دیوار زبر به میزان زیادی کاهش می دهد و باعث کاهش سرعت متوسط و سرعت بیشینه سیال می شود و با افزایش پهنای زبری، تاثیر زبری بر هر دو پروفیل سرعت و چگالی زیاد می شود. افزایش ارتفاع زبری خیلی بیشتر از افزایش پهنای زبری، پروفیل hy;های چگالی و سرعت را دچار انحراف و کاهش می کند.

ارتقاء امنیت وب با وف بومی