SEPARATION OF GAS MIXTURES WITH SIMILAR MOLECULAR WEIGHTS BASED ON THE RADIOMETRIC EFFECT

Cover Page

Cite item

Full Text

Open Access Open Access
Restricted Access Access granted
Restricted Access Subscription Access

Abstract

Numerical modeling of the separation of a binary gas mixture with similar molecular weights in a thermal micropump based on the radiometric effect is carried out. The simulation method is based on the direct solution of the Boltzmann kinetic equation using a splitting scheme. Relaxation problems are solved using a conservative projection method. Transport equations are solved using first- and second-order schemes. A design of an installation that can be used for separating mixtures of similar masses is proposed. Based on the modeling, an assessment of the efficiency of this device is performed.

About the authors

Ya. M Zhikharev

Moscow Institute of Physics and Technology (National Research University); National Research Center "Kurchatov Institute"

Email: zhikharev.yam@phystech.edu
Dolgoprudny, Russia; Moscow, Russia

F. G Cheremisin

Federal Research Center "Computer Science and Control" of RAS

Moscow, Russia

Yu. Yu Kloss

Moscow Institute of Physics and Technology (National Research University); National Research Center "Kurchatov Institute"

Dolgoprudny, Russia; Moscow, Russia

References

  1. Maxwell J.C. On stresses in rarified gases arising from inequalities of temperature // Philosophical Transactions of the Royal Society of London. 1879. V. 170. P. 231–256.
  2. Einstein A. Zur theorie der radiometerkrafte // Zeitschrift fur Physik. 1924. V. 27. P. 1–6.
  3. Crookes W. Researches on the Atomic Weight of Thallium // Philosophical Transations of the Royal Society of London. 1873. V. 163. P. 277–330.
  4. Crookes W.OnAttraction and Repulsion Resulting fromRadiation // Philosophical Transactions of the Royal Society of London. 1874. V. 164. P. 501–527.
  5. Akhlaghi H., Roohi E., Stefanov S.A. Comprehensive review on micro-and nano-scale gas flow effects: slip-jump phenomena, Knudsen paradox, thermally-driven flows, and Knudsen pumps // Physics Reports. 2023. V. 997. P. 1–60.
  6. Nakaye S., Sugimoto H., Gupta N.K., Gianchandani Y.B. Thermally enhanced membrane gas separation // European Journal of Mechanics- B/Fluids 2015. V. 49. P. 36–49.
  7. Pikus A., Sebastiao I., Strongrich A., Alexeenko A.DSMCsimulation of microstructure actuation by Knudsen thermal forces including binary mixtures // AIP Conference Proceedings. 2016. V. 1786. P. 080003.
  8. Matsumoto M., Nakaye S., Sugimoto H. Gas separation by the molecular exchange flow through micropores of the membrane // AIP Conference Proceedings. 2016. V. 1786. P. 080011.
  9. Loftian A., Roohi E. Binary gas mixtures separation using microscale radiometric pumps // International Communications in Heat and Mass Transfer. 2021. V. 121. P. 105061.
  10. Han F., Wang X., Zhao F., Zhang S., Zhang Z. Numerical investigation of gas separation via thermally induced flows in ratchet-like patterned microchannels // International Journal of Thermal Sciences. 2022. V. 172. P. 107280.
  11. Yakunchikov A., Kosyanchuk V. Numerical investigation of gas separation in the system of filaments with different temperatures International // Journal of Heat and Mass Transfer. 2019. V. 138. P. 144–151.
  12. Sugimoto H. Experiment on the gas separation effect of the pump driven by the thermal edge flow // AIP Conference Proceedings. 2008. V. 1084. P. 1123–1128.
  13. 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.
  14. Matsumoto. H., Mihara K., Yamagishi D. Morokuma T. Study on a gas transport system based on thermal induced flow // AIP Conference Proceedings. 2016. V. 1786. No. 1. P. 200002.
  15. Аристов В.В., Черемисин Ф.Г. Расщепление неоднородного кинетического оператора уравнения Больцмана // Докл. АН СССР. 1976. Т. 231.№1. С. 49–52.
  16. Bobylev A.V., Ohwada T. The error of the splitting scheme for solving evolutionary equations // Applied mathematics letters. 2001. V. 14. No. 1. P. 45–48.
  17. Чепмен С., Каулинг Т. Математическая теория неоднородных газов. М.: Изд-во иностр. лит., 1960. 511 с.
  18. Harten A. High resolution schemes for hyperbolic conservation laws // Journal of Computational Physics. 1983. V. 49. No. 3. P. 375–393.
  19. Tcheremissine F.G. Direct numerical solution оf the Boltzmann equation// AIP Conference Proceedings. 2005. V. 672. P. 230005.
  20. Додулад О.И., Черемисин Ф.Г. Расчеты структуры ударной волны в одноатомном газе с контролем точности // Ж. вычисл. матем. и матем. физ. 2013. Т. 53.№6. С. 1008–1026.
  21. Коробов Н.М. Теоретикочисловые методы в приближенном анализе. М.: Физматгиз, 1963. 260 с.
  22. Коган М.Н. Динамика разреженного газа. М.: Наука, 1967. 560 с.
  23. Tcheremissine F.G. Testing and acceleration of the conservative projection method for solving Boltzmann kinetic equation // AIP Conference Proceedings. 2015. V. 1648. P. 230005.
  24. Черемисин Ф.Г., Ускорение решения уравнения Больцмана с помощью контроля величины вкладов в интеграл столкновений // Ж. вычисл. матем. и матем. физ. 2023. Т. 63.№2. С. 2035–2050.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download

Copyright (c) 2025 Russian Academy of Sciences

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».