Моделирование течения бинарной смеси газов в цилиндрическом микроканале с подвижными стенками


Просмотр статьи
PDF, 872,5 КБ

Simulation of binary gas mixture flow in a cylindrical microchannel with moving walls

The paper studies the flow of a binary rarefied mixture of gases (neon-argon) in a cylindrical channel under the action of a pressure gradient and in the presence of wall rotation in the direction opposite to the gas flow. The problem is studied numerically using the direct simulation Monte Carlo (DSMC) method. It is shown that combination of pressure gradient and wall rotation leads to the effect of separation of gas mixture in rarefied flow regime. The dependence of separation effect magnitude on the wall rotation speed, gas rarefaction rate, and channel length is investigated.

rarefied gas, separation of gas mixtures, direct simulation Monte Carlo (DSMC), molecular pump

DOI: http://doi.org/10.33257/PhChGD.25.6.1136


Том 25, выпуск 6, 2024 год



В работе исследуется течение разреженной смеси газов (неон-аргон) в цилиндрическом канале под действием градиента давления и при наличии вращения стенок в направлении противоположном потоку газа. Задача изучается численно с использованием метода прямого статистического моделирования Монте-Карло (ПСМ). Показано, что комбинация градиента давления и вращения стенок приводит к эффекту разделения газовой смеси при течении в разреженном режиме. Исследована зависимость эффекта разделения от скорости вращения стенок, степени разреженности газа и длины канала.

разреженный газ, разделение газовых смесей, метод прямого статистического моделирования Монте-Карло (ПСМ), молекулярный насос

DOI: http://doi.org/10.33257/PhChGD.25.6.1136


Том 25, выпуск 6, 2024 год



1. Sazhin O. Pressure-driven flow of rarefied gas through a slit at a various pressure ratios //Journal of Vacuum Science & Technology A. – 2012. – Т. 30. – №. 2. https://doi.org/10.1116/1.3682457
2. Taheri P., Struchtrup H. Poiseuille flow of moderately rarefied gases in annular channels //International journal of heat and mass transfer. – 2012. – Т. 55. – №. 4. – С. 1291-1303.
3. Varoutis S., Day C., Sharipov F. Rarefied gas flow through channels of finite length at various pressure ratios //Vacuum. – 2012. – Т. 86. – №. 12. – С. 1952-1959.
4. Titarev V. A. Rarefied gas flow in a planar channel caused by arbitrary pressure and temperature drops //International journal of heat and mass transfer. – 2012. – Т. 55. – №. 21-22. – С. 5916-5930. https://doi.org/10.1016/j.ijheatmasstransfer.2012.05.088
5. Sharipov F. Transient flow of rarefied gas through a short tube //Vacuum. 2013. – Т. 90. – С. 25-30. https://doi.org/10.1016/j.vacuum.2012.09.021
6. Подрыга В. О. Многомасштабный подход к трехмерному расчету течений газов и их смесей в микроканалах технических систем //Доклады Академии Наук. – Федеральное государственное бюджетное учреждение" Российская академия наук", 2016. – Т. 469. – №. 6. – С. 656-658.
7. Титарев В. А., Шахов Е. М. Кинетический анализ изотермического течения в длинном микро-канале прямоугольного поперечного сечения //Журнал вычислительной математики и матема-тической физики. – 2010. – Т. 50. – №. 7. – С. 1285-1302. https://doi.org/10.1134/S0965542510070110
8. Конопелько Н. А., Титарев В. А., Шахов Е. М. Нестационарное течение разреженного газа в микроканале из-за распада разрыва давления //Журнал вычислительной математики и матема-тической физики. – 2016. – Т. 56. – №. 3. – С. 476-489. https://doi.org/10.7868/S004446691603011X
9. Иванов И. Э., Крюков И. А., Тимохин М. Ю. Применение системы уравнений R13 для моде-лирования течений в микроканалах //Физико-химическая кинетика в газовой динамике. – 2013. – Т. 14. – №. 2. – С. 11-11.
10. Ларина И. Н., Рыков В. А. Численное исследование нестационарных течений двухатомного разреженного газа в плоском микроканале //Журнал вычислительной математики и математи-ческой физики. – 2014. – Т. 54. – №. 8. – С. 1332-1344. https://doi.org/10.7868/S0044466914080080
11. Jousten K. (ed.). Handbook of vacuum technology. – John Wiley & Sons, 2016, 512 с.
12. Kalempa D., Sharipov F. Flows of rarefied gaseous mixtures with a low mole fraction. Separation phenomenon //European Journal of Mechanics-B/Fluids. – 2011. – Т. 30. – №. 4. – С. 466-473. https://doi.org/10.1016/j.euromechflu.2011.03.004
13. Ковалев В. Л., Косьянчук В. В., Якунчиков А. Н. Свободномолекулярное течение газа через колеблющуюся мембрану //Известия Российской академии наук. Механика жидкости и газа. – 2014. – №. 4. – С. 119-124.
14. Косьянчук В. В., Якунчиков А. Н. Свободномолекулярное течение газа в канале с изгибаю-щейся границей //Известия Российской академии наук. Механика жидкости и газа. – 2018. – №. 3. – С. 87-97. DOI: 10.7868/S056852811803009X
15. Kosyanchuk V. Separation of binary gas mixture in a microchannel with oscillating barriers //Physics of Fluids. – 2022. – Т. 34. – №. 10. https://doi.org/10.1063/5.0117665
16. Kosyanchuk V. Numerical study of microdevice with surface acoustic waves for separation of gas mixtures //Physics of Fluids. – 2023. – Т. 35. – №. 8. https://doi.org/10.1063/5.0157497
17. Gaede W. The external friction of gases and a new principle for vacuum pumps: The molecular pump //Phys. – 1912. – Т. 13. – С. 864.
18. Bird G. A. Molecular gas dynamics and the direct simulation of gas flows. – Oxford university press, 1994, 416 c.