混合氣體微尺度輸運的格子Boltzmann模型及套用研究

《混合氣體微尺度輸運的格子Boltzmann模型及套用研究》是依託華中科技大學，由郭照立擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：混合氣體微尺度輸運的格子Boltzmann模型及套用研究
• 項目類別：面上項目
• 項目負責人：郭照立
• 依託單位：華中科技大學

中文摘要

混合氣體微尺度輸運在微機電系統以及能源和環境領域廣泛存在，其輸運規律與巨觀輸運及單組分氣體微尺度輸運都有顯著不同。近年發展起來的格子Boltzmann(LB)方法對混合氣體微尺度輸運研究具有較大優勢，但國內外的研究剛剛起步，很不成熟。本課題將研究混合氣體微尺度輸運的格子Boltzmann(LB)方法的基本模型(包括模型參數的確定及微觀邊界條件的設計),並套用發展的方法對微通道內的混合氣體輸運現象進行數值模擬，結合相關試驗，分析組分構成、濃度、通道形狀、尺寸、壁面粗糙度等內部和外部因素對輸運過程的影響，研究其微觀輸運規律和機理。本項目的研究可揭示混合氣體微觀輸運的機理，有助於人們對這類複雜輸運現象的深入認識，對包含這類輸運現象的新能源裝置(如燃料電池)的設計與開發、溫室氣體地下埋存新技術的發展，也具有指導意義。

結題摘要

微尺度條件下的氣體流動是微機械系統、大氣可吸入顆粒物、燃料電池等諸多領域中的共有現象，其規律與巨觀規律有顯著不同。由於微系統在實際運行過程中，氣體總是包含不同成分的混合體系，因此研究混合氣體的微尺度流動規律具有重要意義。基於分子運動論的格子Boltzmann方法（LBM）為研究微尺度混合氣體流動提供了一個有效的工具，但仍有許多關鍵問題需要解決。本項目研究了構建混合氣體微流動LBM的關鍵問題，包括鬆弛時間與Knudsen數的關係、實現滑移邊界的微觀邊界條件等，並在此基礎上建立了相應的LBM模型。套用提出的方法，研究了不同成分和濃度的混合氣體在微通道內的流動、擴散、分離等現象，分析了濃度、粗糙度、Knudsen數、截面形狀等因素對微尺度流動的影響，並開展了初步的實驗驗證。研究成果不但為混合氣體的微尺度流動研究提供新手段，而且獲得的規律也對涉及微尺度傳遞過程的工程套用具有借鑑意義。 在本項目資助下，共發表SCI論文16篇，參加本領域重要國際會議6人次。