多孔介质扩散传质的蒙特卡罗模拟

摘要

多孔介质中的气体传质研究涉及到多个应用领域，如气固催化反应、分子筛、多孔膜气体分离、气体吸附、微反应器等。近十年来，以多孔化合物为主体的多孔规则孔道结构材料，高分子材料为主体的多孔膜、碳纳米管，微反应器等材料和技术迅猛发展，微尺度条件下的传热传质机理研究，成为近几年的研究热点。
　　 由于孔径尺度接近气体分子的平均自由程，尺度效应显现，已经不能完全用连续性模型去模拟气体分子在此类结构中的流动，需要从分子层面对此进行分析。本文建立了计算气体扩散系数的蒙特卡罗算法：包括随机数的产生，由已知分布的随机抽样（粒子行走步长，粒子行走方向），粒子与固体壁面的碰撞等。并将此方法分别应用于传输几率法与均方位移法，计算了气体在单元体结构中的扩散系数。
　　 本文提出了一个计算流导几率的二维蒙特卡罗算法，给出了基于二维条件下粒子在壁面反射所满足的余弦定律表达式。此表达式可以广泛应用于气体在二维微通道以及其他二维结构中流动中所采用的数值模型，从而可以建立相应的二维算法，提高计算效率，减少计算时间。
　　 本文根据实际的微孔膜结构( PVDF膜)分析，得到了一种简单的单元体结构（球柱结合模型），来模拟微孔膜的真实结构，并计算了全努森数流态下此结构的扩散系数与曲率，指出气体的扩散系数不仅仅与结构本身有关，还与气体流态有关。单一的圆柱与圆球结构不能准确的模拟气体在PVDF膜结构中的扩散传质特性，采用球柱结合模型更为合理。

目录

文摘

英文文摘

第1章 绪论

1.1 研究背景及意义

1.2 国内外研究现状

1.2.1 国外研究现状

1.2.2 国内研究现状

1.3 本文主要工作

1.3.1 试验粒子蒙特卡罗算法的建立

1.3.2 提出一个简化的二维蒙特卡罗算法

1.3.3 微孔膜结构扩散系数与曲率计算

第2章 蒙特卡罗算法的建立

2.1 蒙特卡罗算法介绍

2.1.1 蒙特卡罗算法简介

2.1.2 收敛性和误差估计

2.1.6 蒙特卡罗算法计算机上的实现

2.2 粒子运动轨迹的确立

2.2.1 分子轨迹描述

2.2.2 分子自由程长度分布律

2.2.3 分子与固体壁面碰撞模型

2.3 本章小结

第3章 分子流条件下传输几率的计算

3.1 三维结构流导几率的计算

3.3.1 3D圆管的计算

3.3.2 3D槽道的计算

3.3.3 3D百叶窗结构计算

3.2 二维结构传输几率的蒙特卡罗算法

3.2.1 2D形式余弦定律

3.3.2 2D算法验证

3.3 本章小结

第4章 多孔介质中气体等效扩散系数的计算

4.1 传输几率法

4.1.1 理论基础

4.1.2 算法描述

4.1.3 计算结果

4.1.4 传输几率法的不足

4.2 均方位移法

4.2.1 理论基础

4.2.2 算法描述

4.2.3 计算结果

4.2 本章小结

第5章 微孔膜中气体扩散特性研究

5.1 构建微孔膜(PVDF)结构

5.2 结构特性计算

5.2.1 孔隙率与内表面积计算

5.2.2 平均拦截距离（平均孔径）计算

5.3 气体的扩散系数与结构的曲率计算

5.4 本章小结

第6章 结论与展望

6.1 本文的主要结论

6.2 进一步工作展望

参考文献

致谢

在读期间发表的学术论文