Modelagem computacional multiescala do transporte de solutos iônicos em meios porosos carregados eletricamente
| Ano de defesa: | 2019 |
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| Orientador(a): | |
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| Tipo de documento: | Dissertação |
| Tipo de acesso: | Acesso aberto |
| Idioma: | por |
| Instituição de defesa: |
Universidade Federal do Rio Grande do Norte
Brasil UFRN PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM MATEMÁTICA APLICADA E ESTATÍSTICA |
| Programa de Pós-Graduação: |
Não Informado pela instituição
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| Departamento: |
Não Informado pela instituição
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| País: |
Não Informado pela instituição
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| Palavras-chave em Português: | |
| Link de acesso: | https://repositorio.ufrn.br/jspui/handle/123456789/29985 |
Resumo: | In this work we present a multiscale computational modeling of the electrochemical coupling in electrically charged porous media. For this, considering the rigid and incompressible solid matrix, the hydrodynamics and the reactive transport of monovalent and bivalent ionic solutes on the nano/micro/macroscopic scales were modeled considering a multiscale formulation based on the homogenization of periodic structures. At the nanoscopic scale, mathematical modeling was obtained considering double-layer theory to obtain the Poisson-Boltzmann equation together with the protonation/deprotonation and cation exchange reactions. The proposed computational model allowed to quantify the electric potential, electric charge density and electrochemical adsorption in the electric double layer.The modeling at the microscale was given considering the Stokes equation for hydrodynamics and Nernst-Planck equations for the transport of the ionic solutes supplemented by conditions at the fluid/solid interface from nanoscopic modeling. Macroscopic equations are derived by applying the homogenization theory on the nano/micro scale equations. In possession of the macroscopic model with the respective microscopic equations, numerical simulations are obtained using the finite element method allowing to quantify the effective parameters of the model given by the permeability tensor and tortuosity vector field for four microgeometries. With the nano and microscopic parameters, we simulated the macroscopic model applied to clayey porous media in different salinity, pH and bivalent ion concentrations considering circular and hexagonal microgeometry. |
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Modelagem computacional multiescala do transporte de solutos iônicos em meios porosos carregados eletricamenteModelagem multiescalaTeoria da camada duplaTécnica de homogenizaçãoMétodo de elementos finitosParâmetros efetivosPermeabilidadeTortuosidadeIn this work we present a multiscale computational modeling of the electrochemical coupling in electrically charged porous media. For this, considering the rigid and incompressible solid matrix, the hydrodynamics and the reactive transport of monovalent and bivalent ionic solutes on the nano/micro/macroscopic scales were modeled considering a multiscale formulation based on the homogenization of periodic structures. At the nanoscopic scale, mathematical modeling was obtained considering double-layer theory to obtain the Poisson-Boltzmann equation together with the protonation/deprotonation and cation exchange reactions. The proposed computational model allowed to quantify the electric potential, electric charge density and electrochemical adsorption in the electric double layer.The modeling at the microscale was given considering the Stokes equation for hydrodynamics and Nernst-Planck equations for the transport of the ionic solutes supplemented by conditions at the fluid/solid interface from nanoscopic modeling. Macroscopic equations are derived by applying the homogenization theory on the nano/micro scale equations. In possession of the macroscopic model with the respective microscopic equations, numerical simulations are obtained using the finite element method allowing to quantify the effective parameters of the model given by the permeability tensor and tortuosity vector field for four microgeometries. With the nano and microscopic parameters, we simulated the macroscopic model applied to clayey porous media in different salinity, pH and bivalent ion concentrations considering circular and hexagonal microgeometry.Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior - CAPESNeste trabalho apresentamos uma modelagem computacional multiescala do acoplamento eletroqu´ımico em meios porosos carregados eletricamente. Para tanto, considerando a matriz sólida rígida e incompressível foi modelado a hidrodinâmica e o transporte reativo de solutos iônicos mono e bivalentes nas escalas nano/micro/macroscópica considerando uma formulação multiescala baseado na técnica de homogeneização de estruturas peri´odicas. Na escala nanoscópica, a modelagem matemática foi obtida considerando a teoria da camada dupla possibilitando obter a equação de Poisson-Boltzmann juntamente com as reações de protonação/deprotonação e troca catiônica. O modelo computacional proposto permitiu quantificar o potencial elétrico, densidade de carga el´etrica e adsorção eletroquíımica na dupla camada elétrica. A modelagem na microescala se deu considerando a equação de Stokes para hidrodinâmica e equações de Nernst-Planck para o transporte dos solutos iônicos suplementado por condições na interface fluido/sólido advindas da modelagem nanoscópica. A partir das equações nano/micro são deduzidas equações na escala macroscópica fazendo uso da teoria de homogeneização. De posse do modelo macroscópico com as respectivas equações microscópicas, simulações numéricas são obtidas com o uso do método de elementos finitos possibilitando quantificar os parâmetros efetivos do modelo dados pelo tensor permeabilidade e campo vetorial da tortuosidade para quatro microgeometrias. De posse dos parâmetros nano e microscópicos, simulamos computacionalmente o modelo macroscópico aplicado a meios porosos argilosos em diferentes regimes de salinidade, pH e concentração do íon bivalente considerando as microgeometrias circular e hexagonal.Universidade Federal do Rio Grande do NorteBrasilUFRNPROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM MATEMÁTICA APLICADA E ESTATÍSTICALima, Sidarta Araújo deKlein, VivianeSantos, Renatha Batista dosSantos, Adriano dosRadtke, Luiz CarlosIgreja, Iury Higor Aguiar daSantos Júnior, Ronaldo Dias dos2020-09-08T23:55:44Z2020-09-08T23:55:44Z2019-08-02info:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/masterThesisapplication/pdfSANTOS JÚNIOR, Ronaldo Dias dos. Modelagem computacional multiescala do transporte de solutos iônicos em meios porosos carregados eletricamente. 2019. 130f. Dissertação (Mestrado em Matemática Aplicada e Estatística) - Centro de Ciências Exatas e da Terra, Universidade Federal do Rio Grande do Norte, Natal, 2019.https://repositorio.ufrn.br/jspui/handle/123456789/29985info:eu-repo/semantics/openAccessporreponame:Repositório Institucional da UFRNinstname:Universidade Federal do Rio Grande do Norte (UFRN)instacron:UFRN2020-09-13T07:57:54Zoai:repositorio.ufrn.br:123456789/29985Repositório InstitucionalPUBhttp://repositorio.ufrn.br/oai/repositorio@bczm.ufrn.bropendoar:2020-09-13T07:57:54Repositório Institucional da UFRN - Universidade Federal do Rio Grande do Norte (UFRN)false |
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In this work we present a multiscale computational modeling of the electrochemical coupling in electrically charged porous media. For this, considering the rigid and incompressible solid matrix, the hydrodynamics and the reactive transport of monovalent and bivalent ionic solutes on the nano/micro/macroscopic scales were modeled considering a multiscale formulation based on the homogenization of periodic structures. At the nanoscopic scale, mathematical modeling was obtained considering double-layer theory to obtain the Poisson-Boltzmann equation together with the protonation/deprotonation and cation exchange reactions. The proposed computational model allowed to quantify the electric potential, electric charge density and electrochemical adsorption in the electric double layer.The modeling at the microscale was given considering the Stokes equation for hydrodynamics and Nernst-Planck equations for the transport of the ionic solutes supplemented by conditions at the fluid/solid interface from nanoscopic modeling. Macroscopic equations are derived by applying the homogenization theory on the nano/micro scale equations. In possession of the macroscopic model with the respective microscopic equations, numerical simulations are obtained using the finite element method allowing to quantify the effective parameters of the model given by the permeability tensor and tortuosity vector field for four microgeometries. With the nano and microscopic parameters, we simulated the macroscopic model applied to clayey porous media in different salinity, pH and bivalent ion concentrations considering circular and hexagonal microgeometry. |
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