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基于DSMC方法的多孔介质孔隙规则网络气体传质模型研究

龙建清  
【摘要】: 多孔介质中的气体传质研究涉及到多个应用领域,如气固催化反应、分子筛、多孔膜气体分离、气体吸附、微反应器等。多孔介质的孔道结构尺寸细小,孔道结构对流体介质的流动和传质规律影响较大,如何对其进行有效的理论描述是人们关注的重要问题之一。本文采用孔隙规则网络模型作为多孔介质的结构模型,以分子模拟方法——直接模拟Monte Carlo(DSMC)方法为研究工具,针对过渡流问题,建立多孔介质中气体流动和传质模型框架,深入研究了该框架的关键问题——“点-键”模型。 首先采用DSMC方法研究微流动的一般特性。编写的MFRBDSMC程序,能对前/后台阶流动、微喷管流动、气体混合过程和多孔介质孔隙规则网络模型等进行DSMC模拟。通过应用扰动分析理论求解带滑移边界条件的N-S方程,研究典型滑移模型对微流动的预测能力。结果表明,二阶滑移模型Cercignani预测结果与DSMC数据最为接近。当出口克努森数(Kn_o数)数较大时,气体流动出现微流动特性:壁面处速度不为零,且沿流动方向逐渐增大;稀薄效应使原本沿流动方向呈非线性分布的压力趋于线性;质量流率随Kn_o数的增加而增大。进而利用DSMC模拟结果提出新的滑移模型,当Kn_o数小于0.254时,该模型对微流动具有较好的预测,带该滑移模型的N-S方程质量流率滑移解与DSMC结果偏差约为5%。 “点-键”模型为多孔介质孔隙规则网络气体传质模型的基本单位,本文根据Kn_o数范围为0.24~47.60的微槽道流动MFRBDSMC程序模拟结果和Beskok等人的修正稀薄系数法,建立“键”的表达式;对Kn_o数范围为0.12~11.3的“十字”形微槽道气体流动进行MFRBDSMC程序的DSMC模拟,将“十字”形微槽道交叉区域(cross)作“点”处理;通过引入无量纲等效长度(L′_e),在“键”的传质公式中考虑cross对传质的影响,进而建立起“点-键”模型。通过对不同压差、不同气体介质、不同高长比微槽道的DSMC模拟,对“点-键”模型进行DSMC验证,“点-键”模型计算结果与DSMC模拟值的偏差范围为3.69%~12.65%。 本文进一步探讨双组分气体在微槽道中的传质过程。He-Ar的MFRBDSMC程序模拟结果表明,双组分气体传质机理不只是Knudsen扩散;沿微槽道流动方向,Ar的摩尔分数大于He,但在出口附近二者均发生剧烈变化,使得出口处的He摩尔分数大于Ar;而Ar的组分分压则一直大于He。在流动中分子量较大的Ar所受He的影响较小,几乎保持纯Ar的流动状态,由此本文通过DSMC模拟结果对混合粘性系数进行修正,并将其应用于单组分“键”的传质公式,以此预测混合组分的质量流率。


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