CFD Simulations for Filter Layer Optimization: Sensitivity Analysis of Flow Velocity, Particle Size, Roughness, and Particle Rate

[ENGLISH]
Objective: The objective of this study is to examine the sensitivity of particle retention processes in artificial porous media to variations in fluid injection velocity, particle size, injection rate, and surface roughness. Similarly, this investigation contributes to the understanding of the mechanisms governing particle transport and retention, as well as supports the optimization of filtration systems across various applications. Theoretical Framework: The research builds upon the established theories of porous media flow, particle transport, and interfacial phenomena, particularly focusing on the application of Computational Fluid Dynamics (CFD) simulations to the study of particulate matter retention in water. Method: In this work, a sensitivity analysis was conducted using a computational model implemented in ANSYS-CFX software, which allows for the study of water-particle mixture percolation in artificial porous media. The main parameters analyzed included flow velocity, particle size, surface roughness, and injection rate. Prior to simulations, X-ray computed tomography (µCT-XR) was employed to obtain detailed geometric information of the porous media, which was used to generate realistic computational models. Results and Discussion: The results obtained revealed article retention in porous media is influenced by flow velocity, particle size, and media roughness. Higher velocities and larger particles promote deposition. In the discussion section, these results are contextualized in light of the theoretical framework, highlighting the implications and relationships identified. Possible discrepancies and limitations of the study are also considered in this section. Research Implications: These findings provide valuable insights to understand the limits of applicability of computational CFD when applied to the optimization of barrier and filter construction which have significant implications for various applications, such as water filtration, soil contamination, and reservoir engineering. Originality/Value: This study contributes to the literature by providing valuable insights about key factors influencing particle retention. The relevance and value of this research are evident in the potential application of CFD simulations, which, through sensitivity analyses, provide valuable understanding about optimizing filter design and mitigating water contamination.

[PORTUGUESE]
Objetivo: O objetivo deste estudo é examinar a sensibilidade dos processos de retenção de partículas em meios porosos artificiais a variações na velocidade de injeção de fluido, tamanho das partículas, taxa de injeção e rugosidade da superfície. Da mesma forma, esta investigação contribui para a compreensão dos mecanismos que governam o transporte e a retenção de partículas, bem como suporta a otimização de sistemas de filtração em diversas aplicações. Referencial Teórico: A pesquisa se baseia nas teorias estabelecidas de escoamento em meios porosos, transporte de partículas e fenômenos interfaciais, com foco particular na aplicação de simulações de Fluidodinâmica Computacional (CFD) ao estudo da retenção de material particulado em água. Método: Neste trabalho, uma análise de sensibilidade foi conduzida utilizando um modelo computacional implementado no software ANSYS-CFX, que permite o estudo da percolação da mistura água-partícula em meios porosos artificiais. Os principais parâmetros analisados incluíram velocidade do fluxo, tamanho das partículas, rugosidade da superfície e taxa de injeção. Antes das simulações, tomografia computadorizada de raios-X (µCT-XR) foi empregada para obter informações geométricas detalhadas dos meios porosos, que foram utilizadas para gerar modelos computacionais realistas. Resultados e Discussão: Os resultados obtidos revelaram que a retenção de partículas em meios porosos é influenciada pela velocidade do fluxo, tamanho de partícula e rugosidade do meio. Velocidades mais altas e partículas maiores favorecem a deposição. Na seção de discussão, esses resultados são contextualizados à luz do referencial teórico, destacando as implicações e relações identificadas. Possíveis discrepâncias e limitações do estudo também são consideradas nesta seção. Implicações da Pesquisa: Esses resultados fornecem insights valiosos para compreender os limites de aplicabilidade das simulações de CFD quando aplicadas à otimização de barreiras e construção de filtros, o que tem implicações significativas para diversas aplicações, como filtração de água, contaminação do solo e engenharia de reservatórios. Originalidade/Valor: Este estudo contribui para a literatura ao fornecer insights valiosos sobre os principais fatores que influenciam a retenção de partículas. A relevância e o valor desta pesquisa são evidenciados pela apresentação de simulações de CFD, que, através de análises de sensibilidade, fornecem um valioso entendimento sobre a otimização do projeto de filtros e a mitigação da contaminação da água.

[SPANISH]
Objetivo: El objetivo de este estudio es examinar la sensibilidad de los procesos de retención de partículas en medios porosos artificiales a variaciones en la velocidad de inyección de fluido, tamaño de partículas, tasa de inyección y rugosidad superficial. De igual manera, esta investigación contribuye a la comprensión de los mecanismos que gobiernan el transporte y la retención de partículas, así como apoya la optimización de sistemas de filtración en diversas aplicaciones. Marco Teórico: La investigación se basa en las teorías establecidas de flujo en medios porosos, transporte de partículas y fenómenos interfaciales, con un enfoque particular en la aplicación de simulaciones de Dinámica de Fluidos Computacional (CFD) al estudio de la retención de material particulado en agua. Método: En este trabajo, se realizó un análisis de sensibilidad utilizando un modelo computacional implementado en el software ANSYS-CFX, que permite el estudio de la percolación de la mezcla agua-partícula en medios porosos artificiales. Los principales parámetros analizados incluyeron velocidad del flujo, tamaño de partículas, rugosidad superficial y tasa de inyección. Antes de las simulaciones, se empleó tomografía computarizada de rayos X (µCT-XR) para obtener información geométrica detallada de los medios porosos, la cual se utilizó para generar modelos computacionales realistas. Resultados y Discusión: Los resultados obtenidos revelaron que la retención de partículas en medios porosos está influenciada por la velocidad del flujo, el tamaño de partícula y la rugosidad del medio. Velocidades más altas y partículas más grandes favorecen la deposición. En la sección de discusión, estos resultados se contextualizan a la luz del marco teórico, destacando las implicaciones y relaciones identificadas. También se consideran posibles discrepancias y limitaciones del estudio en esta sección. Implicaciones de la Investigación: Estos resultados proporcionan valiosos conocimientos para comprender los límites de aplicabilidad de las simulaciones de CFD cuando se aplican a la optimización de barreras y construcción de filtros, lo que tiene implicaciones significativas para diversas aplicaciones, como la filtración de agua, la contaminación del suelo y la ingeniería de reservorios. Originalidad/Valor: Este estudio contribuye a la literatura proporcionando valiosos conocimientos sobre los factores clave que influyen en la retención de partículas. La relevancia y el valor de esta investigación se evidencian por la presentación de simulaciones de CFD como herramienta para optimizar filtros y barreras reactivas permeables en la prevención y remediación de la contaminación de recursos hídricos.

[CHINESE]
目的:本研究旨在探讨人工多孔介质中颗粒截留过程对流体注入速度、颗粒大小、注入速率和表面粗糙度变化的敏感性。同样,本研究有助于理解控制颗粒输运和截留的机制,并支持各种应用中过滤系统的优化。理论框架:本研究建立在多孔介质流动、颗粒输运和界面现象的既定理论基础之上,特别侧重于计算流体动力学(CFD)模拟在水体颗粒物截留研究中的应用。方法:本工作使用ANSYS-CFX软件实施的计算模型进行了敏感性分析,该模型允许研究水-颗粒混合物在人工多孔介质中的渗透。分析的主要参数包括流速、颗粒大小、表面粗糙度和注入速率。在模拟之前,利用X射线计算机断层扫描(µCT-XR)获得多孔介质的详细几何信息,用于生成逼真的计算模型。结果与讨论:所得结果表明,多孔介质中的颗粒截留受流速、颗粒大小和介质粗糙度的影响。较高的速度和较大的颗粒促进沉积。在讨论部分,根据理论框架对这些结果进行了背景化,强调了确定的含义和关系。本节还考虑了研究可能存在的差异和局限性。研究意义:这些发现为理解CFD模拟在应用于屏障和过滤器结构优化时的适用性限制提供了宝贵的见解,这对水过滤、土壤污染和油藏工程等各种应用具有重要意义。原创性/价值:本研究通过提供关于影响颗粒截留的关键因素的宝贵见解,为文献做出了贡献。本研究的相关性和价值体现在CFD模拟的潜在应用中,通过敏感性分析,为优化过滤器设计和减轻水污染提供了宝贵的理解。

[GERMAN]
Ziel: Das Ziel dieser Studie ist es, die Empfindlichkeit von Partikelrückhalteprozessen in künstlichen porösen Medien gegenüber Variationen der Fluidinjektionsgeschwindigkeit, Partikelgröße, Injektionsrate und Oberflächenrauheit zu untersuchen. Ebenso trägt diese Untersuchung zum Verständnis der Mechanismen bei, die den Partikeltransport und -rückhalt steuern, und unterstützt die Optimierung von Filtrationssystemen in verschiedenen Anwendungen. Theoretischer Rahmen: Die Forschung baut auf den etablierten Theorien der Strömung in porösen Medien, des Partikeltransports und der Grenzflächenphänomene auf, wobei der Schwerpunkt auf der Anwendung von CFD-Simulationen (Computational Fluid Dynamics) zur Untersuchung des Rückhalts von Partikeln in Wasser liegt. Methode: In dieser Arbeit wurde eine Sensitivitätsanalyse unter Verwendung eines in der Software ANSYS-CFX implementierten Rechenmodells durchgeführt, das die Untersuchung der Perkolation von Wasser-Partikel-Gemischen in künstlichen porösen Medien ermöglicht. Die wichtigsten analysierten Parameter umfassten Strömungsgeschwindigkeit, Partikelgröße, Oberflächenrauheit und Injektionsrate. Vor den Simulationen wurde mittels Röntgen-Computertomographie (µCT-XR) detaillierte geometrische Informationen der porösen Medien gewonnen, die zur Erstellung realistischer Rechenmodelle verwendet wurden. Ergebnisse und Diskussion: Die erhaltenen Ergebnisse zeigten, dass der Partikelrückhalt in porösen Medien durch Strömungsgeschwindigkeit, Partikelgröße und Rauheit des Mediums beeinflusst wird. Höhere Geschwindigkeiten und größere Partikel begünstigen die Ablagerung. Im Diskussionsteil werden diese Ergebnisse im Lichte des theoretischen Rahmens kontextualisiert, wobei die identifizierten Implikationen und Beziehungen hervorgehoben werden. Mögliche Diskrepanzen und Einschränkungen der Studie werden in diesem Abschnitt ebenfalls berücksichtigt. Forschungsimplikationen: Diese Erkenntnisse liefern wertvolle Einblicke, um die Grenzen der Anwendbarkeit von CFD-Simulationen zu verstehen, wenn sie auf die Optimierung von Barriere- und Filterkonstruktionen angewendet werden, was erhebliche Auswirkungen auf verschiedene Anwendungen wie Wasserfiltration, Bodenkontamination und Lagerstättentechnik hat. Originalität/Wert: Diese Studie trägt zur Literatur bei, indem sie wertvolle Erkenntnisse über Schlüsselfaktoren liefert, die den Partikelrückhalt beeinflussen. Die Relevanz und der Wert dieser Forschung zeigen sich in der potenziellen Anwendung von CFD-Simulationen, die durch Sensitivitätsanalysen ein wertvolles Verständnis für die Optimierung des Filterdesigns und die Minderung der Wasserkontamination bieten.

[FRENCH]
Objectif : L'objectif de cette étude est d'examiner la sensibilité des processus de rétention des particules dans des milieux poreux artificiels aux variations de la vitesse d'injection du fluide, de la taille des particules, du taux d'injection et de la rugosité de la surface. De même, cette investigation contribue à la compréhension des mécanismes régissant le transport et la rétention des particules, ainsi qu'à l'optimisation des systèmes de filtration dans diverses applications. Cadre théorique : La recherche s'appuie sur les théories établies de l'écoulement en milieu poreux, du transport de particules et des phénomènes interfaciaux, en se concentrant particulièrement sur l'application de simulations de dynamique des fluides numérique (CFD) à l'étude de la rétention de matières particulaires dans l'eau. Méthode : Dans ce travail, une analyse de sensibilité a été menée à l'aide d'un modèle informatique implémenté dans le logiciel ANSYS-CFX, qui permet l'étude de la percolation du mélange eau-particule dans des milieux poreux artificiels. Les principaux paramètres analysés comprenaient la vitesse d'écoulement, la taille des particules, la rugosité de la surface et le taux d'injection. Avant les simulations, la tomographie par rayons X (µCT-XR) a été utilisée pour obtenir des informations géométriques détaillées des milieux poreux, qui ont été utilisées pour générer des modèles informatiques réalistes. Résultats et discussion : Les résultats obtenus ont révélé que la rétention des particules dans les milieux poreux est influencée par la vitesse d'écoulement, la taille des particules et la rugosité du milieu. Des vitesses plus élevées et des particules plus grosses favorisent le dépôt. Dans la section discussion, ces résultats sont contextualisés à la lumière du cadre théorique, en soulignant les implications et les relations identifiées. Les divergences possibles et les limites de l'étude sont également prises en compte dans cette section. Implications de la recherche : Ces résultats fournissent des informations précieuses pour comprendre les limites de l'applicabilité des simulations CFD lorsqu'elles sont appliquées à l'optimisation de la construction de barrières et de filtres, ce qui a des implications significatives pour diverses applications, telles que la filtration de l'eau, la contamination des sols et l'ingénierie des réservoirs. Originalité/Valeur : Cette étude contribue à la littérature en fournissant des informations précieuses sur les facteurs clés influençant la rétention des particules. La pertinence et la valeur de cette recherche sont évidentes dans l'application potentielle des simulations CFD, qui, par le biais d'analyses de sensibilité, fournissent une compréhension précieuse sur l'optimisation de la conception des filtres et l'atténuation de la contamination de l'eau.