Efecto de la estructura anisotrópica y heterogénea a escala de poro en el flujo de gas rarefactado en medios porosos tridimensionales
Autores: Guo, Wenqiang; Zhao, Jinshan; Wang, Gang; Fang, Ming; Zhu, Ke
Idioma: Inglés
Editor: MDPI
Año: 2025
Acceso abierto
Artículo científico
2025
Efecto de la estructura anisotrópica y heterogénea a escala de poro en el flujo de gas rarefactado en medios porosos tridimensionales
Categoría
Ingeniería y Tecnología
Subcategoría
Ingeniería Mecánica
Palabras clave
Medios porosos
Permeabilidad del gas
Número de Knudsen
Ley de Darcy
Método de Boltzmann en red
Estructuras anisotrópicas
Licencia
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Los medios porosos tienen grandes perspectivas de aplicación, como el enfriamiento por transpiración para la industria aeroespacial. El principal desafío para la predicción de la permeabilidad del gas incluye la complejidad geométrica y el alto número de Knudsen del flujo de gas a escala nano a micro, lo que lleva al fracaso de la ley de Darcy convencional. Para abordar estos problemas, se mejora el método de Generación de Estructura Cuarteto (QSGS) para construir medios porosos tridimensionales anisotrópicos y heterogéneos, y se adopta el método de Boltzmann en red (LBM) con el operador de colisión de tiempo de relajación múltiple (MRT). Usando MRT-LBM, las condiciones de frontera de presión en la entrada y salida se manejan primero utilizando las condiciones de frontera basadas en momentos, demostrando un buen acuerdo con las soluciones analíticas en dos pruebas de referencia de flujo tridimensional de Poiseuille y flujo a través de un arreglo cúbico centrado en el cuerpo de esferas. Combinado con el modelo de viscosidad efectiva tipo Bosanquet y la condición de frontera de reflexión difusa maxwelliana, se simula el flujo de gas a altos números de Knudsen (Kn) en medios porosos tridimensionales para estudiar la relación entre la anisotropía a escala de poro, la heterogeneidad y Kn, y la permeabilidad y los efectos de deslizamiento a microescala en medios porosos. El factor de deslizamiento está correlacionado positivamente con el factor anisotrópico, lo que significa que el efecto de alto Kn es más fuerte en estructuras anisotrópicas. No hay una correlación obvia entre el factor de deslizamiento y el factor de heterogeneidad.
Descripción
Los medios porosos tienen grandes perspectivas de aplicación, como el enfriamiento por transpiración para la industria aeroespacial. El principal desafío para la predicción de la permeabilidad del gas incluye la complejidad geométrica y el alto número de Knudsen del flujo de gas a escala nano a micro, lo que lleva al fracaso de la ley de Darcy convencional. Para abordar estos problemas, se mejora el método de Generación de Estructura Cuarteto (QSGS) para construir medios porosos tridimensionales anisotrópicos y heterogéneos, y se adopta el método de Boltzmann en red (LBM) con el operador de colisión de tiempo de relajación múltiple (MRT). Usando MRT-LBM, las condiciones de frontera de presión en la entrada y salida se manejan primero utilizando las condiciones de frontera basadas en momentos, demostrando un buen acuerdo con las soluciones analíticas en dos pruebas de referencia de flujo tridimensional de Poiseuille y flujo a través de un arreglo cúbico centrado en el cuerpo de esferas. Combinado con el modelo de viscosidad efectiva tipo Bosanquet y la condición de frontera de reflexión difusa maxwelliana, se simula el flujo de gas a altos números de Knudsen (Kn) en medios porosos tridimensionales para estudiar la relación entre la anisotropía a escala de poro, la heterogeneidad y Kn, y la permeabilidad y los efectos de deslizamiento a microescala en medios porosos. El factor de deslizamiento está correlacionado positivamente con el factor anisotrópico, lo que significa que el efecto de alto Kn es más fuerte en estructuras anisotrópicas. No hay una correlación obvia entre el factor de deslizamiento y el factor de heterogeneidad.