微尺度多孔介质中多组分气体传输机理的格子Boltzmann方法研究

The transport process of multicomponent gas in microscale porous media is usually observed in many different fields, such as the energy, environment, chemical engineering, and so on. Due to the complexity of micro and nanoscale pore structures, the interaction among different components of gas, and the interaction between gas and solid wall, the transport mechanisms of multicomponent gas in microscale porous media are very complicated. The microscopic molecular modeling methods and the methods based on modified continuum models are not suitable for studying this problem owing to their limits.The mesoscopic lattice Boltzmann (LB) method based on the kinetic theory is a promising approach for the study of such a complicated problem, but there are still some basic problems needed to be solved.In this project, we will develop the LB models and microscopic boundary conditions for micro and nanoscale multicomponent gas transport; then analyze the effects of the gas component, gas concentration, Knudsen number, temperature and pore structure on the transport process; and finally explore the transport mechanisms and laws of multicomponent gas in the microscale porous media. This project not only provides a new and effective approach to study the complicated transport process and understand the transport mechanisms of multicomponent gas in the microscale porous media, but also is of certain directive significance to the shale gas exploration, fuel cell design, and greenhouse gas storage and utilization.

微尺度多孔介质中多组分气体的传输过程广泛存在于能源、环境、化工等诸多领域。由于涉及复杂的微纳米孔隙结构、不同气体组分以及气固间的相互作用，微尺度多孔介质中多组分气体的传输机理极为复杂，微观的分子模拟方法和基于修正连续模型的方法在研究此类问题时均受到很大的限制。基于气体动理学理论的介观格子Boltzmann（LB）方法是研究这类复杂问题的有效方法，但目前仍有许多关键基础问题急需解决。本项目拟针对此类复杂问题，发展微纳米尺度多组分气体的LB模型和微观边界条件；分析气体组分构成、组分浓度、Knudsen数、温度和孔隙结构等因素对传输过程的影响；探索多组分气体在微尺度多孔介质中的传输机理与规律。本项目不但为研究微尺度多孔介质中多组分气体的传输过程、认识其传输机理提供新的有效手段，而且对涉及这一基本问题的页岩气的开采、高温燃料电池的设计以及温室气体的埋存和利用均具有一定的指导意义。

微尺度多孔介质中多组分气体的传输过程广泛存在于能源、环境、化工等诸多领域，并已发展成为工程热物理领域的一个重要基础问题。然而，这类问题由于涉及复杂的孔隙结构、不同气体组分以及气固间的相互作用，其传输机理极为复杂。微观的分子模拟方法和基于宏观连续模型的方法在研究这类复杂问题时均受到很大的限制，急需发展新的有效方法，并以此为基础，开展微尺度多孔介质中多组分气体的传输机理研究。.本项目基于气体动理学理论，通过发展和完善微尺度多组分气体的介观格子Boltzmann (LB)方法，系统研究了微尺度多孔介质中多组分气体的传输机理，并取得了丰硕成果，主要包括：（1）建立了用于研究多组分气体流动与扩散的广义迁移LB模型和基于Maxwell-Stefan理论的LB模型，这类模型可以有效地处理微尺度多孔介质中多组分气体的传输过程，并克服了已有模型在处理具有不同分子质量的多组分系统时遇到的困难。（2）基于多组分系统的广义迁移LB模型和基于Maxwell-Stefan理论的LB模型，发展了相应的微观边界处理格式，并系统分析了反弹型边界处理格式的离散效应，给出了消除离散效应的有效方法。（3）基于多相多组分流体的相场理论，发展了能够处理大密度比与大粘性比的问题的高效LB模型，克服了已有模型的一些不足。（4）针对复杂多孔介质中的流体传输问题，设计了一种基于图形处理器（GPU）的高效LB算法，并通过OpenACC进行加速，推动了LB方法在实际工程中的应用。（5）借助上述发展的LB模型和微观边界条件，开展了多组分气体传输机理的数值研究，准确捕捉到多组分系统中特有的一些反常现象，如反向扩散、渗透扩散、扩散障碍等。在此基础上，项目组进一步研究了简单多孔介质中的多组分气体传输过程，分析了其传输机理。.本项目研究成果不仅可为研究微尺度多孔介质中多组分气体的传输过程、认识其传输机理提供新的有效手段，而且对涉及这类复杂问题的页岩气的开采、高温燃料电池的设计以及温室气体的埋存和利用均具有一定的指导意义。