混合气体微尺度输运的格子Boltzmann模型及应用研究

混合气体微尺度输运在微机电系统以及能源和环境领域广泛存在，其输运规律与宏观输运及单组分气体微尺度输运都有显著不同。近年发展起来的格子Boltzmann(LB)方法对混合气体微尺度输运研究具有较大优势，但国内外的研究刚刚起步，很不成熟。本课题将研究混合气体微尺度输运的格子Boltzmann(LB)方法的基本模型(包括模型参数的确定及微观边界条件的设计),并应用发展的方法对微通道内的混合气体输运现象进行数值模拟，结合相关试验，分析组分构成、浓度、通道形状、尺寸、壁面粗糙度等内部和外部因素对输运过程的影响，研究其微观输运规律和机理。本项目的研究可揭示混合气体微观输运的机理，有助于人们对这类复杂输运现象的深入认识，对包含这类输运现象的新能源装置(如燃料电池)的设计与开发、温室气体地下埋存新技术的发展，也具有指导意义。

微尺度条件下的气体流动是微机械系统、大气可吸入颗粒物、燃料电池等诸多领域中的共有现象，其规律与宏观规律有显著不同。由于微系统在实际运行过程中，气体总是包含不同成分的混合体系，因此研究混合气体的微尺度流动规律具有重要意义。基于分子运动论的格子Boltzmann方法（LBM）为研究微尺度混合气体流动提供了一个有效的工具，但仍有许多关键问题需要解决。本项目研究了构建混合气体微流动LBM的关键问题，包括松弛时间与Knudsen数的关系、实现滑移边界的微观边界条件等，并在此基础上建立了相应的LBM模型。应用提出的方法，研究了不同成分和浓度的混合气体在微通道内的流动、扩散、分离等现象，分析了浓度、粗糙度、Knudsen数、截面形状等因素对微尺度流动的影响，并开展了初步的实验验证。研究成果不但为混合气体的微尺度流动研究提供新手段，而且获得的规律也对涉及微尺度传递过程的工程应用具有借鉴意义。 在本项目资助下，共发表SCI论文16篇，参加本领域重要国际会议6人次。