基于DSMC方法的多孔介質(zhì)孔隙規(guī)則網(wǎng)絡(luò)氣體傳質(zhì)模型研究.pdf

1、多孔介質(zhì)中的氣體傳質(zhì)研究涉及到多個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域，如氣固催化反應(yīng)、分子篩、多孔膜氣體分離、氣體吸附、微反應(yīng)器等。多孔介質(zhì)的孔道結(jié)構(gòu)尺寸細(xì)小，孔道結(jié)構(gòu)對(duì)流體介質(zhì)的流動(dòng)和傳質(zhì)規(guī)律影響較大，如何對(duì)其進(jìn)行有效的理論描述是人們關(guān)注的重要問(wèn)題之一。本文采用孔隙規(guī)則網(wǎng)絡(luò)模型作為多孔介質(zhì)的結(jié)構(gòu)模型，以分子模擬方法--直接模擬Monte Carlo（DSMC）方法為研究工具，針對(duì)過(guò)渡流問(wèn)題，建立多孔介質(zhì)中氣體流動(dòng)和傳質(zhì)模型框架，深入研究了該框架的關(guān)鍵問(wèn)題--“

2、點(diǎn)-鍵”模型。 首先采用DSMC方法研究微流動(dòng)的一般特性。編寫(xiě)的MFRBDSMC程序，能對(duì)前/后臺(tái)階流動(dòng)、微噴管流動(dòng)、氣體混合過(guò)程和多孔介質(zhì)孔隙規(guī)則網(wǎng)絡(luò)模型等進(jìn)行DSMC模擬。通過(guò)應(yīng)用擾動(dòng)分析理論求解帶滑移邊界條件的N-S方程，研究典型滑移模型對(duì)微流動(dòng)的預(yù)測(cè)能力。結(jié)果表明，二階滑移模型Cercignani預(yù)測(cè)結(jié)果與DSMC數(shù)據(jù)最為接近。當(dāng)出口克努森數(shù)（Kn0數(shù)）數(shù)較大時(shí)，氣體流動(dòng)出現(xiàn)微流動(dòng)特性：壁面處速度不為零，且沿流動(dòng)方向逐漸

3、增大；稀薄效應(yīng)使原本沿流動(dòng)方向呈非線性分布的壓力趨于線性；質(zhì)量流率隨Kn0數(shù)的增加而增大。進(jìn)而利用DSMC模擬結(jié)果提出新的滑移模型，當(dāng)Kn0數(shù)小于0.254時(shí)，該模型對(duì)微流動(dòng)具有較好的預(yù)測(cè)，帶該滑移模型的N-S方程質(zhì)量流率滑移解與DSMC結(jié)果偏差約為5％。 “點(diǎn)-鍵”模型為多孔介質(zhì)孔隙規(guī)則網(wǎng)絡(luò)氣體傳質(zhì)模型的基本單位，本文根據(jù)Kn0數(shù)范圍為0.24～47.60的微槽道流動(dòng)MFRBDSMC程序模擬結(jié)果和Beskok等人的修正稀薄系數(shù)

4、法，建立“鍵”的表達(dá)式；對(duì)Kn0數(shù)范圍為0.12～11.3的“十字”形微槽道氣體流動(dòng)進(jìn)行MFRBDSMC程序的DSMC模擬，將“十字”形微槽道交叉區(qū)域（cross）作“點(diǎn)”處理；通過(guò)引入無(wú)量綱等效長(zhǎng)度（L'e），在“鍵”的傳質(zhì)公式中考慮cross對(duì)傳質(zhì)的影響，進(jìn)而建立起“點(diǎn)-鍵”模型。通過(guò)對(duì)不同壓差、不同氣體介質(zhì)、不同高長(zhǎng)比微槽道的DSMC模擬，對(duì)“點(diǎn)-鍵”模型進(jìn)行DSMC驗(yàn)證，“點(diǎn)-鍵”模型計(jì)算結(jié)果與DSMC模擬值的偏差范圍為3.69

5、％～12.65％。 本文進(jìn)一步探討雙組分氣體在微槽道中的傳質(zhì)過(guò)程。He-Ar的MFRBDSMC程序模擬結(jié)果表明，雙組分氣體傳質(zhì)機(jī)理不只是Knudsen擴(kuò)散；沿微槽道流動(dòng)方向，Ar的摩爾分?jǐn)?shù)大于He，但在出口附近二者均發(fā)生劇烈變化，使得出口處的He摩爾分?jǐn)?shù)大于Ar；而Ar的組分分壓則一直大于He。在流動(dòng)中分子量較大的Ar所受He的影響較小，幾乎保持純Ar的流動(dòng)狀態(tài)，由此本文通過(guò)DSMC模擬結(jié)果對(duì)混合粘性系數(shù)進(jìn)行修正，并將其應(yīng)用于單