Numerical Analysis of Gas Flow in Porous Media with Surface Reaction

Tomarikawa, Ko; Yonemura, Shigenobu; Tokumasu, Takashi; Koido, Tetsuya

doi:10.1063/1.3562744

Cited by 6 publications

(6 citation statements)

References 1 publication

Supporting

Mentioning

Contrasting

Order By: Relevance

“…In the present work, the DSMC method, which is the stochastic solution of the Boltzmann equation (Nanbu 1980), was used for numerical simulations of gas flows in porous media. The DSMC method has been used to simulate gas flow in micro-/nanoscale porous media (Saito et al 1995;Tomarikawa et al 2011;Kalarakis et al 2012;Oshima et al 2012;Dreyer et al 2014;Christou and Dadzie 2016).…”

Section: Methodsmentioning

confidence: 99%

A study on pressure-driven gas transport in porous media: from nanoscale to microscale

Kawagoe

Oshima

Tomarikawa

et al. 2016

Microfluid Nanofluid

Self Cite

View full text Add to dashboard Cite

Section: Methodsmentioning

confidence: 99%

A study on pressure-driven gas transport in porous media: from nanoscale to microscale

Kawagoe

Oshima

Tomarikawa

et al. 2016

Microfluid Nanofluid

Self Cite

View full text Add to dashboard Cite

“…The particle motion is updated deterministically using a time step that is smaller than the mean collision time, so that the intermolecular collisions can be decoupled from the molecular motion. The code developed in this work is based on Bird's DSMC method [19] and is able to handle chemistry in the gas phase and to approximate the rate of surface chemistry reactions at gas-solid interfaces [39,40]. More specifically, the code is designed for performing optimizations of the distribution of an active material over the bounding surfaces of the system.…”

Section: The Direct Simulation Monte Carlo (Dsmc) Frameworkmentioning

confidence: 99%

“…Such additional complexities would also add to the computational cost and significantly reduce the efficiency of the optimization. In this work, surface reactions are therefore instead implemented as occurring at a wall with a certain probability [40]. This probability can be tuned to reproduce a physical reaction rate, implying that the main simplification involved is related to the loss of coverage-dependence.…”

Section: Validation Of the Dsmc Codementioning

confidence: 99%

Computational optimization of catalyst distributions at the nano-scale

Ström

2017

Applied Energy

View full text Add to dashboard Cite

Catalysis is a key phenomenon in a great number of energy processes, including feedstock conversion, tar cracking, emission abatement and optimizations of energy use. Within heterogeneous, catalytic nano-scale systems, the chemical reactions typically proceed at very high rates at a gas-solid interface. However, the statistical uncertainties characteristic of molecular processes pose efficiency problems for computational optimizations of such nanoscale systems. The present work investigates the performance of a Direct Simulation Monte Carlo (DSMC) code with a stochastic optimization heuristic for evaluations of an optimal catalyst distribution. The DSMC code treats molecular motion with homogeneous and heterogeneous chemical reactions in wall-bounded systems and algorithms have been devised that allow optimization of the distribution of a catalytically active material within a threedimensional duct (e.g. a pore). The objective function is the outlet concentration of computational molecules that have interacted with the catalytically active surface, and the optimization method used is simulated annealing. The application of a stochastic optimization heuristic is shown to be more efficient within the present DSMC framework than using a macroscopic overlay method. Furthermore, it is shown that the performance of the developed method is superior to that of a gradient search method for the current class of problems. Finally, the advantages and disadvantages of different types of objective functions are discussed.

show abstract

“…The ow eld around micro heat ux sensors [92] plays an important role in the accuracy of the device. Flows through porous media are also considered as rareed ows with many applications in lters and membranes [136]. Read-head sliders in hard disk drives can be designed optimally only if the air ow in the microgap is simulated properly [62].…”

Section: Methodsmentioning

confidence: 99%

Rarefied gas pipe network analysis via kinetic theory

Misdanitis¹,

Μισδανίτης²

View full text Add to dashboard Cite

Το θέμα της παρούσας διδακτορικής διατριβής εστιάζει στην ανάπτυξη ενός αλγορίθμου προσομοίωσης δικτύων αερίων υπό αραιοποιημένες συνθήκες μέσω κινητικής θεωρίας. Η περιοχή αυτή είναι γνωστή σαν αραιοποιημένη αεριοδυναμική (rarefied gas dynamics) με πολλές τεχνολογικές εφαρμογές εκ των οποίων τα μικρο-ηλεκτρομηχανολογικά συστήματα και η τεχνολογία κενού να είναι αυτές που εξελίσσονται με πολύ γρήγορους ρυθμούς. Σημειώνεται ότι ενώ στο συνεχές όριο, υπολογιστικά πακέτα (αλγόριθμοι) σχεδιασμού δικτύων σωληνώσεων (όπως δίκτυα συμπιεσμένου αέρα ή φυσικού αερίου, κτλ.) είναι ευρέως διαδεδομένα, αντίστοιχα υπολογιστικά εργαλεία για το σχεδιασμό δικτύων σε συνθήκες χαμηλής πίεσης (υψηλού, μέτριου ή χαμηλού κενού) είναι αρκετά περιορισμένα. Αξιοποιώντας την πολύχρονη εμπειρία του Eργαστηρίου Φυσικών & Χημικών Διεργασιών σε αριθμητικές μεθόδους μεσοκλίμακας, στο πλαίσιο της διατριβής αναπτύσσεται και εφαρμόζεται σύνθετο λογισμικό προσομοίωσης κυκλοφορίας αραιοποιημένων αερίων σε δίκτυα σωληνώσεων σε όλο το εύρος του αριθμού Knudsen. Για την υλοποίηση αυτού του εγχειρήματος δημιουργείται εκτενής βάση δεδομένων για πλήρως ανεπτυγμένες και αναπτυσσόμενες ροές μέσα από αγωγούς μεγάλου, μεσαίου και μικρού μήκους, συμπεριλαμβανομένων των φαινομένων εισόδου/εξόδου στα άκρα των αγωγών. Αυτό επιτυγχάνεται επιλύοντας κινητικές εξισώσεις με αναβαθμισμένους και παράλληλους αλγορίθμους διακριτών μοριακών ταχυτήτων, ενώ η χρήση του λογισμικού υποβοηθείται από ένα γραφικό περιβάλλον το οποίο αναπτύχθηκε για το σκοπό αυτό. Η τελική μορφή του αλγορίθμου αποτελείται από α) την εισαγωγή των γεωμετρικών χαρακτηριστικών και λειτουργικών χαρακτηριστικών του δικτύου προς επίλυση, β) τον ορισμό των βρόχων και των ψευδο-βρόχων, γ) τη διαμόρφωση και επίλυση των εξισώσεων διατήρησης μάζας και ενέργειας, δ) τη βάση δεδομένων που έχει προκύψει από αποτελέσματα κινητικών εξισώσεων και χρησιμοποιείται για την επίλυση των εξισώσεων διατήρησης και ε) τα αποτελέσματα του αλγορίθμου τα οποία αναφέρονται σε τιμές πίεσης στους κόμβους του δικτύου καθώς και σε τιμές μαζικής και ογκομετρικής παροχής μέσα από τις σωληνώσεις του δικτύου. Πιο συγκεκριμένα, το σύστημα των εξισώσεων το οποίο περιγράφει το δίκτυο αποτελείται από τις εξισώσεις πτώσης πίεσης σε κάθε έναν από τους αγωγούς του δικτύου σε συνδυασμό με τις εξισώσεις διατήρησης μάζας σε κάθε έναν από τους κόμβους του δικτύου. Στην περίπτωση που το δίκτυο είναι πλήρως ορισμένο, οι εξισώσεις πτώσης πίεσης ανάγονται σε ισοζύγια ενέργειας ανάμεσα στους κλειστούς βρόχους του δικτύου και τους ψευδο-βρόχους που ενώνουν κόμβους γνωστών ιδιοτήτων (π.χ. γνωστές τιμές πίεσης). Το σύστημα των εξισώσεων λύνεται επαναληπτικά έχοντας ως άγνωστο τις τιμές των παροχών υποθέτοντας αρχικά τις τιμές των πιέσεων στους κόμβους του δικτύου, όπου αυτές δεν είναι από την αρχή γνωστές. Σε κάθε βήμα, μετά την επίλυση του συστήματος των εξισώσεων, οι τιμές των πιέσεων ανανεώνονται σύμφωνα με τις τιμές της αδιάστατης παροχής κάνοντας χρήση των σχέσεων πτώσης πίεσης για κάθε έναν από τους αγωγούς του δικτύου. Τα βήματα αυτά αποτελούν τον πυρήνα μιας επαναληπτικής διαδικασίας η οποία τερματίζεται με την ικανοποίηση του κριτηρίου σύγκλισης το οποίο εφαρμόζεται στις τιμές των πιέσεων στους κόμβους. Το υπολογιστικό πακέτο φέρει το όνομα ARIADNE (Algorithm for Rarefied gas flow in Arbitrary Distribution Networks). Η αποτελεσματικότητα και η ακρίβεια του αλγορίθμου ελέγχθηκε με την προσομοίωση διαφόρων δικτύων σωληνώσεων στο υδροδυναμικό όριο, συγκρίνοντας τα αποτελέσματα με αντίστοιχα που προκύπτουν από τυπικό αλγόριθμο που βασίζεται στις υδροδυναμικές εξισώσεις επιστρέφοντας πολύ καλή συμφωνία τόσο στις παροχές των αγωγών, όσο και στις πιέσεις των κόμβων του δικτύου. Επιπλέον, στην ελεύθερη μοριακή περιοχή και στην μεταβατική πραγματοποιήθηκαν συγκρίσεις με το λογισμικό ITERVAC, το οποίο είναι ένας ημι-εμπειρικός αλγόριθμος, επιστρέφοντας πολύ καλή συμφωνία. Τέλος, το λογισμικό εφαρμόστηκε στην επίλυση δικτύων που προσεγγίζουν το σύστημα άντλησης αερίων του αντιδραστήρα σύντηξης ITER. Με βάση τα παραπάνω η παρούσα διδακτορική διατριβή αναμένεται να αποτελέσει τον πυρήνα ενός γενικότερου αλγορίθμου για τη μελέτη ροών αερίων σε δίκτυα σωληνώσεων σε όλο το εύρος αραιοποίησης.

show abstract

Numerical Analysis of Gas Flow in Porous Media with Surface Reaction

Cited by 6 publications

References 1 publication

A study on pressure-driven gas transport in porous media: from nanoscale to microscale

A study on pressure-driven gas transport in porous media: from nanoscale to microscale

Computational optimization of catalyst distributions at the nano-scale

Rarefied gas pipe network analysis via kinetic theory

Contact Info

Product

Resources

About