微通道内气体混相驱替的格子Boltzmann模拟

摘要

微通道内的混相驱替过程广泛的存在于石油开采、二氧化碳的地下封存、航空航天等领域。因为驱替过程广泛的应用范围，越来越多的学者们对这一课题进行了研究。格子Boltzmann方法作为一种重要的数值模拟研究手段，被用来研究处于滑移区的混相驱替过程。 滑移区的微通道流动有两个主要的问题，一是松弛时间和Knudsen数之间的关系，一个是会产生滑移速度的边界格式的处理问题，本文在解决这两个问题的基础上对滑移区的单组分气体和两组分气体进行了研究。 本文利用基于动力学理论的两流体模型，采用反弹和反射相混合的边界条件格式对于光滑微通道和粗糙微通道内混相驱替过程进行了模拟。驱替流体为氦气和氙气，被驱替流体为空气。比较了氙气驱替空气和氦气驱替空气时中间界面速度的变化，出口处空气浓度的变化，以及驱替时间的不同。以氙气驱替空气为例，不同的粗糙元对于驱替效率的影响。在两流体驱替模拟之前，做了以下工作： （1）利用Poiseuille流对于所选的反弹和反射相混合的边界进行验证，将Knudsen数数通过松弛时间引入到模型中，并研究了在光滑微通道内Knudsen数对于滑移速度、相对滑移长度、摩擦系数以及气体流量的影响。 （2）利用两流体模型，模拟氙气和氦气驱替空气影响因素。采用控制变量法，分别研究了两流体之间的Peclet数和不同的密度比对于驱替过程的影响Peclet数。 在以上工作的基础上，对氙气驱替空气和氦气驱替空气进行研究。研究发现，不管是在光滑壁面还是粗糙壁面的条件下，氙气驱替空气的时间较氦气驱替空气的时间更短，这是由于氙气和空气之间更高的Peclet数和更大的密度差导致的。氙气驱替空气和氦气驱替空气在粗糙微通道内所用的时间均大于其在光滑壁面的时间，粗糙元的出现改变了流动中的阻力，并且随着粗糙元间距的增大，高度的减小，阻力变小，驱替时间变短。

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