基于DSMC方法的多孔介質孔隙規(guī)則網絡氣體傳質模型研究.pdf

1、多孔介質中的氣體傳質研究涉及到多個應用領域，如氣固催化反應、分子篩、多孔膜氣體分離、氣體吸附、微反應器等。多孔介質的孔道結構尺寸細小，孔道結構對流體介質的流動和傳質規(guī)律影響較大，如何對其進行有效的理論描述是人們關注的重要問題之一。本文采用孔隙規(guī)則網絡模型作為多孔介質的結構模型，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，建立多孔介質中氣體流動和傳質模型框架，深入研究了該框架的關鍵問題--“

2、點-鍵”模型。 首先采用DSMC方法研究微流動的一般特性。編寫的MFRBDSMC程序，能對前/后臺階流動、微噴管流動、氣體混合過程和多孔介質孔隙規(guī)則網絡模型等進行DSMC模擬。通過應用擾動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的預測能力。結果表明，二階滑移模型Cercignani預測結果與DSMC數(shù)據(jù)最為接近。當出口克努森數(shù)（Kn0數(shù)）數(shù)較大時，氣體流動出現(xiàn)微流動特性：壁面處速度不為零，且沿流動方向逐漸

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

4、法，建立“鍵”的表達式；對Kn0數(shù)范圍為0.12～11.3的“十字”形微槽道氣體流動進行MFRBDSMC程序的DSMC模擬，將“十字”形微槽道交叉區(qū)域（cross）作“點”處理；通過引入無量綱等效長度（L'e），在“鍵”的傳質公式中考慮cross對傳質的影響，進而建立起“點-鍵”模型。通過對不同壓差、不同氣體介質、不同高長比微槽道的DSMC模擬，對“點-鍵”模型進行DSMC驗證，“點-鍵”模型計算結果與DSMC模擬值的偏差范圍為3.69

5、％～12.65％。 本文進一步探討雙組分氣體在微槽道中的傳質過程。He-Ar的MFRBDSMC程序模擬結果表明，雙組分氣體傳質機理不只是Knudsen擴散；沿微槽道流動方向，Ar的摩爾分數(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摩爾分數(shù)大于Ar；而Ar的組分分壓則一直大于He。在流動中分子量較大的Ar所受He的影響較小，幾乎保持純Ar的流動狀態(tài)，由此本文通過DSMC模擬結果對混合粘性系數(shù)進行修正，并將其應用于單