Текущий выпуск Номер 6, 2024 Том 16

Все выпуски

[ Switch to English ]

Моделирование разделения смеси газов в многоступенчатом микронасосе, основанное на решении уравнения Больцмана

Жихарев Я.М., Черемисин Ф.Г., Клосс Ю.Ю.
 pdf (1141K)

В работе проводятся моделирование смеси газов в многокаскадном микронасосе и оценка его эффективности при разделении компонентов смеси. Рассматривается устройство в виде протяженного канала с последовательностью поперечно расположенных пластин, различие температур сторон которых приводит к радиометрическому течению газа внутри. Скорость течения газов зависит от их масс, что приводит к разделению смеси. Моделирование основывается на численном решении кинетического уравнения Больцмана, для чего используется схема расщепления, при которой поочередно осуществляются решения уравнений переноса и задач релаксации. Вычисление интеграла столкновений осуществляется с помощью консервативного проекционного метода, при использовании которого строго выполняются законы сохранения массы, импульса и энергии, и важное асимптотическое свойство — равенство интеграла от максвелловской функции нулю. Для решения уравнения переноса используются явная разностная схема первого порядка точности и TVD-схема второго порядка. Расчеты проводятся для смеси неона и аргона в модели твердых сфер с реальным отношением молекулярных диаметров и масс. Разработана программно-моделирующая среда, которая позволяет проводить расчеты как на персональных компьютерах, так и на многопроцессорных кластерах. Использование распараллеливания приводит к ускорению вычислений относительно последовательной версии и постоянству времени одной итерации для устройств разных размеров, что позволило моделировать системы с большим числом пластин. Подобраны геометрические размеры устройства, при которых разделения смеси оказывается наибольшим. Обнаружено, что величина разделения смеси, то есть отношение концентраций на концах устройства линейно зависит от числа каскадов в устройстве, что дает возможность оценить разделение для многокаскадных систем, компьютерное моделирование которых невозможно. Построены изображения и проведен анализ течений и распределений концентраций газов внутри устройства во время его работы. Показано, что устройства такого вида при достаточно большом числе пластин подходят для разделения газовых смесей, притом что они не имеют движущихся частей и, соответственно, достаточно просты в изготовлении и мало подвержены износу.

Ключевые слова: разреженный газ, смесь газов, кинетическое уравнение Больцмана, консервативный проекционный метод, численное моделирование
Цитата: Жихарев Я.М., Черемисин Ф.Г., Клосс Ю.Ю. Моделирование разделения смеси газов в многоступенчатом микронасосе, основанное на решении уравнения Больцмана // Компьютерные исследования и моделирование, 2024, т. 16, № 6, с. 1417-1432
Citation in English: Zhikharev I.M., Tcheremissine F.G., Kloss Y.Y. Modeling of gas mixture separation in a multistage micropump based on the solution of the Boltzmann equation // Computer Research and Modeling, 2024, vol. 16, no. 6, pp. 1417-1432
DOI: 10.20537/2076-7633-2024-16-6-1417-1432
URL: http://crm.ics.org.ru/journal/article/3545/
Creative Commons License Статья доступна по лицензии Creative Commons Attribution-NoDerivs 3.0 Unported License.

Журнал индексируется в Scopus

Полнотекстовая версия журнала доступна также на сайте научной электронной библиотеки eLIBRARY.RU

Журнал входит в систему  Российского индекса научного цитирования.

Журнал включен в базу данных Russian Science Citation Index (RSCI) на платформе Web of Science

Международная Междисциплинарная Конференция "Математика. Компьютер. Образование"

Международная Междисциплинарная Конференция МАТЕМАТИКА. КОМПЬЮТЕР. ОБРАЗОВАНИЕ.

Copyright © 2009–2024 Институт компьютерных исследований