Forståelse af gasflow for forbedrede anvendelser af ren energi

Forskere har designet matematiske udtryk, der mere præcist estimerer gasbevægelser gennem porer i nanostørrelse. Dette kan hjælpe med at forbedre udviklingen af ​​brændselsceller.

Mange konstruerede enheder afhænger af strømmen af ​​gasser gennem et porøst medium. I katalysatorer, for eksempel, skadelige biludstødningsgasser passerer gennem et porøst medium af keramiske perler belagt med en katalysator, der omdanner dem til harmløse forbindelser. Også, i brændselsceller under udvikling til miljøvenlige køretøjer, brint og ilt passerer gennem en porøs katalysator, der omdanner dem til vand, producerer elektricitet.

Ingeniører har brug for en klar forståelse af, hvordan gasser bevæger sig gennem porøse medier for at forbedre disse enheder. Imidlertid, det er svært at måle transporten af ​​molekyler gennem porer i nanostørrelse.

Forskere ved Tohoku-universitetet i Japan, der har specialiseret sig i dynamik af forkælet gas, sammen med kolleger hos Honda R&D Co., Ltd., brugt computerbaserede simuleringer til at udvikle to matematiske udtryk, der estimerer gasstrømningshastighed gennem et porøst medium.

Udtrykkene ligner ligninger, men faktisk viser et fysisk forhold mellem strømningshastighed gennem et porøst medium og trykgradient, som kan hjælpe med at forstå molekylær transport gennem porøse medier. Dette kan hjælpe med at udvikle mere miljøvenlige brændselsceller til biler og endda til fremtidige rumfærger.

Holdet brugte metoden 'direkte simulering Monte Carlo (DSMC), ' som modellerer strømmen af ​​lavtryksgas ved hjælp af simuleringsmolekyler. I deres undersøgelse, porøse medier var repræsenteret af tilfældigt arrangerede faste sfæriske partikler. Holdet undersøgte, hvad der skete, da en konstant strøm af brintmolekyler blev drevet gennem mediet af en stabil trykgradient. Simuleringer blev udført for forskellige porøsiteter og forskellige størrelser af faste partikler.

Holdet fandt, at gasstrømningshastigheden gennem et porøst medium stiger i forhold til stigende trykgradient. Dette viser, at Darcys lov, som siger, at væskestrømningshastigheden gennem et porøst medium er proportional med trykgradienten, gælder selv med nanoserede porer. Imidlertid, de fandt konventionelle modeller, såsom Kozeny-Carman ligningen, som ofte bruges til at estimere strømningshastighed gennem et porøst medium, frembragte skøn, der var forskellige fra resultaterne af DSMC -simuleringerne, da mikrostørrede porer blev skiftet til nanoserede porer.

Når porerne er relativt store, trykforskellen inducerer gasstrøm. Strømningen stabiliserer sig, når den viskøse kraft, der udøves på gassen ved porevægge, udligner kraften på grund af trykforskellen. Dette kaldes 'viskos flux'. På den anden side, når porerne nanoseres, gasmolekyler kan ikke mærke trykforskellen direkte, fordi molekyle-til-molekyle-kollisioner er meget sjældnere sammenlignet med molekyle-til-væg-kollisioner. I dette tilfælde, gasmolekyler spredes i tilfældige retninger efter molekyle-til-væg-kollisioner. Disse kaotiske molekylære bevægelser inducerer en netto molekylær flux i retning af mindre koncentration. Dette kaldes 'Knudsen flux'. Grunden til, at de konventionelle modeller producerede unøjagtige estimater i tilfælde af porer i nanostørrelse, er, fordi kun den viskøse flux tages i betragtning i disse modeller.

Holdet udviklede to matematiske udtryk, der beskriver gasstrømningshastighed gennem et porøst medium. De betragtede et porøst medium som et bundt af snoede kapillarrør, hvis diameter er lig med den gennemsnitlige afstand, som et molekyle bevæger sig mellem på hinanden følgende molekyl-til-væg-kollisioner. Deres udtryk for et porøst medium blev konstrueret ved at overlejre bidragene fra både viskøse og Knudsen-fluxer gennem de snoede kapillarrør.

Holdet fandt ud af, at indtastning af information såsom partikeldiameter og porøsitet i disse udtryk resulterede i strømningshastighedsestimater, der stemte godt overens med DSMC-simuleringsresultaterne.

"Vores udtryk vil være anvendelige på enhver gas med simple molekyler og på ethvert porøst medium med en vilkårlig indre struktur, "siger Tohoku Universitets Shigeru Yonemura, undersøgelsens tilsvarende forfatter. "Denne viden vil være nyttig ikke kun for brændselscelleteknologier, men også for enhver teknologi, der involverer gasstrøm gennem et porøst medium. Vores næste trin er at konstruere et teoretisk udtryk for kapillarrørets tortuositet. Med dette, vi vil være i stand til at færdiggøre vores udtryk for at estimere gasstrømningshastigheder gennem ethvert porøst medium."