Vis enkel innførsel

dc.contributor.advisorKjelstrup, Signe
dc.contributor.advisorRauter, Michael Tobias
dc.contributor.advisorGalteland, Olav
dc.contributor.authorBratvold, Mina Sørensen
dc.date.accessioned2021-10-05T17:42:17Z
dc.date.available2021-10-05T17:42:17Z
dc.date.issued2021
dc.identifierno.ntnu:inspera:77798797:18446734
dc.identifier.urihttps://hdl.handle.net/11250/2787937
dc.description.abstractDet overordnede målet med prosjektet er å bidra til å etablere en beskrivelse av irreversibel termodynamikk for nano-skalaen. Mer spesifikt defineres tilstandsvariabler for fluid som er innesluttet i porøse medier, kunnskapen om drivkrefter utvides og en metode for å bestemme permeabiliteten utformes. Nano-porøse medier er her representert som et kubisk flatesentrert gitter av sfæriske partikler. Det nano-porøse mediet inneholder væske, og en påført trykkforskjell får væske til å strømme gjennom systemet. Systemet studeres ved hjelp av ikke-likevekt molekylærdynamikk-simuleringer (NEMD). For å bygge tillit til input- og etterbehandlingsskriptene, studeres to enklere systemer innledningsvis, en væske som fordamper og en spaltepore der bredden varieres. For spalteporen sammenlignes resultatene fra molekylærdynamikk-simuleringene med løsningen for plan Poiseuille-strømning. Avviket fra plan Poiseuille-strømning avtar med økende bredde på spalteporene, og for de bredeste spalteporene er avviket mindre enn 10%. Viskositeten må beregnes for å muliggjøre sammenligning med ligningen for plan Poiseuille-strømning. Viskositeten bestemmes ved å bruke SLLOD-algoritmen, utføre simuleringer med forskjellige skjærhastigheter og ekstrapolere dataene til null skjærhastighet. Hoveddelen av prosjektet er å forlenge og utvide arbeidet til Galteland et. al., for beregning av trykket i nano-porøse medier og utforme en metode for å bestemme permeabilitet. Permeabiliteten bestemmes fra gradienten i integraltrykket i det porøse mediet ved ikke-likevektsbetingelser. Fire ulike verdier av gitterkonstanten blir testet, og inneslutningseffekter blir observert for de minste gitterkonstantene. For å finne integraltrykket, må den totale kompresjonsenergien bestemmes. Dette krever kunnskap om geometrien til gitteret, samt det integrerte trykket i det faste porøse mediet og overflatespenningen som funksjoner av væsketrykk. For å oppnå disse funksjonene brukes likevektssimuleringer ved forskjellige væsketettheter. Ved sammenligning av de ulike gitterkonstantene, er permeabilitet delt på viskositet funnet å øke med økende gitterkonstant og avhenger i stor grad av porøsitet. Permeabiliteten beregnet for en gitterkonstant på a = 20 er omtrent 3,5 ganger større enn permeabiliteten gitt av Kozeny-Carman-ligningen.
dc.description.abstractThe overall goal of the project is to contribute towards establishing a non-equilibrium thermodynamic theory for the nano-scale. More specifically, state variables of confined media are defined, the knowledge about driving forces is expanded and a method to determine the permeability is designed. Nano-porous media is here represented as a face centered cubic lattice of spherical grain particles. The nano-porous medium contains fluid, and an applied pressure difference causes fluid to flow through the system. The system is studied using Non-equilibrium molecular dynamics (NEMD) simulations. To build trust in the input and post-processing scripts, two simpler systems are studied initially, an evaporating liquid and a slit pore where the width is varied. For the slit pore, the results from the molecular dynamics simulations are compared to the solution for planar Poiseuille flow. The deviation from planar Poiseuille flow is found to decrease with increasing slit pore width, and for the widest slit pores the deviation is less than 10%. The viscosity has to be calculated to allow for comparison with the planar Poiseuille flow equations. The viscosity is determined by applying the SLLOD algorithm, performing simulations at different shear rates and extrapolating the data to zero shear rate. The main part of the project is extending and expanding the work of Galteland et. al., by calculating the pressure in nano-porous media, and designing a method to determine the permeability. The permeability is determined from the gradient in integral pressure in the porous medium at non-equilibrium conditions. Four different values of the lattice constant are tested, and confinement effects are observed for the smallest lattice constants. To obtain the integral pressure, the total compressional energy must be determined. This requires knowledge about the geometry of the lattice, as well as the integral rock pressure and surface tension as functions of fluid pressure. To obtain these functions, equilibrium simulations at different fluid densities are carried out. Comparing the different lattice constants, the permeability divided by viscosity is found to increase with increasing lattice constant and is highly dependent on porosity. The permeability calculated for a lattice constant of a=20 is about 3.5 times larger than the permeability given by the Kozeny-Carman equation.
dc.languageeng
dc.publisherNTNU
dc.titleThe permeability of porous media as studied by NEMD
dc.typeMaster thesis


Tilhørende fil(er)

Thumbnail

Denne innførselen finnes i følgende samling(er)

Vis enkel innførsel