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文檔簡介
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)對流體介質(zhì)的流動(dòng)和傳質(zhì)規(guī)律影響較大,如何對其進(jìn)行有效的理論描述是人們關(guān)注的重要問題之一。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,針對過渡流問題,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。編寫的MFRBDSMC程序,能對前/后臺(tái)階流動(dòng)、微噴管流動(dòng)、氣體混合過程和多孔介質(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微流動(dòng)的預(yù)測能力。結(jié)果表明,二階滑移模型Cercignani預(yù)測結(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),該模型對微流動(dòng)具有較好的預(yù)測,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;通過引入無量綱等效長度(L'e),在“鍵”的傳質(zhì)公式中考慮cross對傳質(zhì)的影響,進(jìn)而建立起“點(diǎn)-鍵”模型。通過對不同壓差、不同氣體介質(zhì)、不同高長比微槽道的DSMC模擬,對“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DSMC模擬結(jié)果對混合粘性系數(shù)進(jìn)行修正,并將其應(yīng)用于單
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