Цели и задачи проекта

• Разработать многомасштабный метод для моделирования течение газа в устройствах с сильно различающимися масштабами
• Изучить механизм газоразделения в микроустройствах с неизотермическими элементами.
• Предложить оптимальную конструкцию газоразделительного устройства, использующего в качестве основного элемента неизотермическую мембрану.

Процесс исследования

Одной из актуальных технологических задач в настоящее время является разделение газовых смесей на компоненты. Эффективные технологии газоразделения востребованы при очистке и обработке попутного нефтяного газа, выделении из воздуха азота, кислорода и благородных газов, очистке воздуха от углекислого газа, выделении водорода из углеводородных смесей, разделении изотопных смесей. Существующие методы газоразделения представляют собой компромисс между эффективностью и энергозатратностью, поэтому постоянно ведется поиск новых методов. Развитие микроэлектроники и микросистемной техники дало возможность создания принципиально новых методов. В последние годы в литературе исследуется практическая возможность разделения смеси газов за счет эффектов, реализующихся при течениях с конечными числами Кнудсена (выражающем отношение длины свободного пробега молекул к характерному размеру задачи) в областях с неизотермическими границами. Данные эффекты основаны на том, что в свободномолекулярном и переходном режимах течения на потоки компонент смеси с разной молекулярной массой по-разному влияют различные внешние воздействия, такие как перепады давления и температуры. Для наиболее эффективного использования необходимо фундаментальное понимание механики данных процессов.

            Для получения фундаментального понимания механики разделения в подобных устройствах было исследована задача о разделении смеси в системе с несколькими рядами разнонагретых нитей (филаментов). Было показано, что разделение в таких системах происходит именно в макрообластях за счет обычной термодиффузии, а микрорешетки используется только возвращают температуру к исходному состоянию без изменения состава. Также было получено, что тип микрогеометрии не имеет значения для эффект разделения: это могут быть микроканалы с градиентом температуры вдоль стенок, разнонагретые пластины или ряды разнонагретых нитей.

Также был разработан эффективный многомасштабный метод для моделирования течений бинарных газовых смесей при малых числах Маха в современных устройствах, сочетающих макро- и микрокомпоненты. Данный метод объединяет решение уравнения Больцмана в модели МакКормака (McCormack model) для моделирования течений в микроструктурах, и численное решение уравнений газовой динамики в приближении малых чисел Маха для повышения эффективности расчета на макромасштабе. Данный метод был применен для моделирования работы нового газоразделительного устройства. Основным функциональным элементом устройства являются мембраны, в которых за счет малого характерного размера пор под действием противоположно направленных градиентов температуры и давления возникают возникает эффект разделения смеси