混合气体多尺度输运的离散统一气体动理学方法

Multiscale flow of gas mixtures is usually observed in aerospace, micro-electromechanical system, energy and environment fields, in which the flow characteristic is significantly different from the continuum flow. The recently developed discrete unified gas-kinetic scheme (DUGKS) has established lots of superiorities for single-species gaseous flow in multi-regimes, while its extension to gas mixtures is not yet carried out. This project aims to develop the DUGKS for flow of gas mixtures, including the discretization of the collision models, the discretized method of spatial space, and the design of boundary conditions. The flow behaviors and mechanism of multiscale flows of mixtures in channels under different physical conditions will be investigated using the proposed DUGKS. The results will contribute to the deep understanding of the mechanism of the complex flow phenomenon in gas mixtures, which could be helpful for the designing of related engineering applications including energy devices (such as the fuel cell), underground storage of greenhouse gases, and shale gas exploration.

包含多种组分的混合气体多尺度流动在航空航天、微机电系统以及能源和环境领域广泛存在，其流动规律与常规的宏观连续流动有显著不同。近年发展的离散统一动理学格式（Discrete Unified Gas-Kinetic Scheme, DUGKS）对单组分气体的多尺度流动研究展示出了很多优越性能，但对多组分混合气体流动的研究尚未开展。本课题将研究用于描述混合气体多尺度流动的DUGKS方法，包括碰撞模型的离散、时空离散方法、边界设计等；基于发展的方法，研究不同工况下混合气体在通道中的多尺度流动机理和规律。研究结果有助于人们对混合气体多尺度复杂流动现象机理的深入认识，对包含这类输运现象的能源装置(如燃料电池)、温室气体地下埋存、页岩气开发等工程应用领域的新技术的发展，也具有指导意义。

气体的多尺度流动在微机电系统、临近空间飞行器、真空技术等领域广泛存在。真实环境下，气体总是包含多种组分。与单组分气体流动相比，这类混合气体的多尺度输运更为复杂，对其机理和规律的深入认识具有重要的科学价值和现实意义。数值模拟是研究混合气体多尺度流动的重要方法，但现有方法往往缺乏多尺度保持性质而难以应用于此类流动。. 本项目根据混合气体的动理学理论，建立了两种具有良好多尺度保持性质的DUGKS方法，包括基于McCormack模型方程的线性DUGKS方法，以及基于AAP模型的非线性DUGKS方法。进而依据动理学中的气-固相互作用模型，分别建立了线性和非线性漫反射-镜面反射边界条件。数值结果表明，建立的两种DUGKS方法是研究混合气体的多尺度流动提供可信高效的数值手段。. 我们进而基于发展的DUGKS方法，开发了混合气体多尺度流动的并行计算程序，并对若干典型多尺度混合气体流动现象进行了数值研究，包括平直光滑微通道内的气体分离和传热规律、振动通道和方腔中的流动和阻尼效应、粗糙管道中混合气体的稀薄效应和粗糙导致的阻力效应间的竞争关系。研究分析了气体组分构成、分子量之比、组分浓度等内部因素，以及施加的驱动压力、振动频率于强度、粗糙度、系统稀薄度等因素的影响，获得了混合气体多尺度输运的一些新规律。. 在本项目支持下，共发表学术论文14篇，其中SCI 收录11 篇，国内期刊论文3 篇。另有2篇在投论文。期间课题组成员吴雷入选国家级海外青年人才计划，毕业3名硕士和3名博士，在读3名硕士和2名博士，一名博士后张月在站。课题组成员参加国内外学术会议报告12人次，其中国际会议报告8人次，国内会议报告4人次；国际学术会议邀请报告1人次，国内学术会议大会报告1人次。通过本项目的研究，提高了课题组成员的科研水平与研究生的培养质量，促进了课题组与国外学者的科研合作。