The main objective of this thesis is to study the fundamental behaviour of multi-component gas mixture flows in micro/nano-channels undergoing catalytic chemical reactions on the walls. This work is primarily focused on nano-scale reacting flows seen in related applications; especially, miniaturized energy sources such as micro-fuel cells and batteries. At these geometries, the order of the characteristic length is close to the mean free path of the flowing gas, making the flow highly rarefied. As a result, non-equilibrium conditions prevail even the bulk flow and therefore, continuum assumptions are not held anymore. Hence, discrete methods should be adopted to simulate molecular movements and interactions described by the Boltzmann equation. The Direct Simulation Monte Carlo (DSMC) method was employed for the present research due to its natural ability for simulating a broad range of rarefied gas flows, and its flexibility to incorporate surface chemical reactions. In the first step, fluid dynamics and the heat transfer of H₂/N₂ and H₂/N₂/CO₂ gas mixture slip flows in a plain micro-channel are simulated. The obtained results are compared to the corresponding data achieved from Navier-Stokes equations with slip/jump boundary conditions. Generally, very good agreements are observed between the two methods. It proves the ability of DSMC in replicating the fluid properties of multi-component gas mixtures even when high mass discrepancies exist among the species. Based on this comparison, the proper parameters are set for the prepared DSMC code, and the appropriate intermolecular collision model is identified. It is also found that stream variables should be calculated more accurately at flow boundaries in order to simulate the intense upstream diffusion emerging at low velocity flows frequently seen in micro/nano-applications. Therefore, in the second step, a novel pressure boundary condition is introduced for gas mixture flows by substituting the commonly used Maxwell velocity distribution with the Chapman-Enskog distribution function. It is shown that this new method yields better results for lower velocity and higher rarefaction level cases. In the last step, a new method is proposed for coupling the flow field simulated by DSMC and surface reactions modelled by the species conservation ODE system derived from the reaction mechanism. First, a lean H₂/air slip flow subjected to oxidation on platinum coated walls in a flat micro-channel 4μm in height is simulated as a verification test case. The results obtained are validated against the solutions of the Navier-Stokes equations with slip/jump boundary conditions and very good conformity is achieved. Next, several cases undergoing the same reaction with Reynolds numbers ranging from 0.2 to 3.6 and Knudsen numbers ranging from 0.025 to 0.375, are simulated using the verified code to investigate the effects of the channel height ranging from 0.5μm to 2μm , the inlet mass flow rate ranging from 5 kg/m².s to 25 kg/m².s, the inlet temperature ranging from 300K to 700K, the wall temperature ranging from 300K to 1000K, and the fuel/air equivalence ratio ranging from 0.28 to 1.5. Some of the findings are as follows: (1) increasing the surface temperature from 600K to 1000K and/or the inlet temperature from 300K to 700K results in negligible enhancement of the conversion rate, (2) the optimum value of the equivalence ratio is on the fuel lean side (around 0.5), (3) the efficiency of the reactor is higher for smaller channel heights, and (4) increasing the inlet mass flux elevates the reaction rate especially for the smaller channels; this effect is not linear and is more magnified for lower mass fluxes.

Ce manuscrit présente l'étude et l'analyse d'écoulements de gaz raréfiés, induits par la transpiration thermique. Le terme de transpiration thermique désigne le mouvement macroscopique d'un gaz raréfié engendré par l'effet du seul gradient de température. L'aspect principal de ce travail est centré autour de la mesure du débit stationnaire déclenché en soumettant un micro tube à un gradient de température appliqué le long de son axe. On a développé à cet effet un appareillage expérimental original ainsi qu'une méthodologie expérimentale innovatrice basée sur la dépendance du phénomène, analysé dans son ensemble, à l'égard du temps. Les résultats obtenus pour le débit stationnaire initial de transpiration thermique et pour les paramètres thermo-moléculaires caractérisant l'équilibre final de débit nul, ont été comparés aux résultats obtenus numériquement par la résolution de l'équation cinétique modèle de Shakhov et par la méthode de simulation directe de Monte-Carlo. / This thesis presents the study and analysis of rarefied gas flows induced by thermal transpiration. Thermal transpiration refers to the macroscopic movement of rarefied gas generated by a temperature gradient. The main aspect of this work is centered around the measurement of the mass flow rate engendered by subjecting a micro-tube to a temperature gradient along its axis. In this respect, an original experimental apparatus and an original time-dependent experimental methodology was developed. The experimental results for the initial stationary thermal transpiration mass flow rate and for the final zero- flow thermal molecular parameters were compared with the results obtained from the numerical solution of the Shakhov model kinetic equation and the direct simulation Monte Carlo method.

Ο στόχος της παρούσας εργασίας είναι η περαιτέρω κατανόηση και ποσοτική σύνδεση φαινομένων μεταφοράς που λαμβάνουν χώρα σε πορώδη μέσα με τα αντίστοιχα φαινόμενα στην κλίμακα λίγων πόρων. Η επέκταση των αποτελεσμάτων από την κλίμακα πόρου στην κλίμακα του πορώδους μέσου δεν είναι προφανής και για το λόγο αυτό η τοπολογία και μορφολογία της πορώδους δομής αντιμετωπίζονται εδώ με δίκτυα πόρων, με έμφαση στα φαινόμενα που λαμβάνουν χώρα στις διασταυρώσεις, αλλά και με ψηφιακές αναπαραστάσεις της δομής με βάση μικροφωτογραφίες δείγματος του υλικού. Συγκεκριμένα, στην εργασία αυτή εξετάζεται η διασπορά μορίων διαλυμένης ουσίας σε δίκτυα πόρων, παρουσιάζεται μία καινούργια τεχνική ανακατασκευής ανομοιογενών πορωδών υλικών και αναπτύσσεται μια μέθοδος προσομοίωσης της ροής αερίων δια μέσου ανακατασκευασμένων πορωδών υλικών στη μεταβατική περιοχή ροής όπου η μέση ελεύθερη διαδρομή των μορίων ενός αερίου είναι συγκρίσιμη με το μέγεθος των πόρων οπότε και παύει να ισχύει η συνήθης παραδοχή του συνεχούς. Η επίδραση της ανάμειξης μέσα σε πόρους ή στις διασταυρώσεις πόρων/ρωγμών στη διασπορά μορίων διαλυμένης ουσίας σε πορώδη μέσα ερευνήθηκε μέσα από την ανάπτυξη και χρήση διαφορετικών τεχνικών προσομοίωσης με έμφαση στις λεπτομέρειες της ροής και της μεταφοράς μάζας στην περιοχή της διασταύρωσης. Βρέθηκε ότι μία νέα μέθοδος τυχαίου περιπάτου αναπαράγει με καλή ακρίβεια το συντελεστή διασποράς σε χαμηλές και μεσαίες τιμές του Peclet, χάρη στο γεγονός ότι λαμβάνει υπ’ όψη την ανάντι της ροής κίνηση των σωματιδίων και τους διαφορετικούς χρόνους παραμονής μέσα σε κάθε κλάδο. Παράλληλα αναπτύχθηκε μία καινοτόμος μέθοδος ανακατασκευής πορωδών μέσων. Η τεχνική στηρίζεται στο διφασικό πρότυπο δικτύου Boltzmann, το οποίο περιγράφει την εξέλιξη συστημάτων υγρού-αερίου υπό την επίδραση της διεπιφανειακής τάσης. Ο μηχανισμός αυτός οδηγεί στη δημιουργία συσχετισμένων δομών, όπου τόσο η μορφολογία του πορώδους μέσου όσο και ο βαθμός συσχέτισής του καθορίζονται από τις λειτουργικές παραμέτρους του προτύπου. Η τεχνική εφαρμόστηκε επιτυχώς σε πραγματικό δείγμα εδάφους με αφετηρία την πληροφορία που δίνεται από μία μικροφωτογραφία μίας στατιστικά χαρακτηριστικής τομής του. Τέλος, μελετήθηκε η ροή αερίων σε πορώδη μέσα, σε πεπερασμένους αριθμούς Knudsen, όπου η μέση διάμετρος των πόρων είναι της ίδιας τάξης με τη μέση ελευθέρα διαδρομή των μορίων του αερίου. Η μελέτη έγινε με τη μεσοσκοπική μέθοδο DSMC. Ο έλεγχος της αξιοπιστίας της μεθόδου και της παρούσας υλοποίησής της έγινε μέσω της μελέτης της ισοθερμοκρασιακής ροής αερίου μεταξύ παραλλήλων πλακών. Παράλληλα υπολογίστηκε το δυναμικό ιξώδες αερίου σε συνθήκες υψηλής αραίωσης και παρουσιάστηκε η εξάρτησή του από τον αριθμό Knudsen. Βρέθηκε ότι τα αποτελέσματα προσεγγίζονται ικανοποιητικά από μία αναλυτική έκφραση τύπου Bosanquet που συσχετίζει το αποτελεσματικό ιξώδες με την τιμή του στο όριο του συνεχούς και με τον αριθμό Knudsen. Επιπρόσθετα μελετήθηκε για πρώτη φορά με τη μέθοδο DMSC η ροή αερίων σε υπολογιστικά ανακατασκευασμένες πορώδεις δομές. Επιβεβαιώθηκε το φαινόμενο του Klinkenberg και η γραμμική εξάρτηση του συντελεστή διαπερατότητας από την αντίστροφη πίεση. Τέλος χρησιμοποιήθηκε μια διαφορετική προσέγγιση στο πρόβλημα υπολογισμού της ροής στη μεταβατική περιοχή μέσω ανάπτυξης προτύπου δικτύου Boltzmann, κατάλληλα τροποποιημένου για ροές σε συνθήκες αραίωσης. Το πρότυπο δοκιμάστηκε τόσο στην περίπτωση ροής μεταξύ παραλλήλων πλακών όσο και σε ροή σε πορώδη μέσα όπου η συμφωνία με τη μέθοδο DSMC βρέθηκε πολύ ικανοποιητική. / The aim of the present study is the further understanding and quantification of transport phenomena in porous media and their connection with the phenomena in the scale of a few pores. The extension of the results from the pore-scale to the scale of the porous medium is not obvious and for this reason the representation of the porous medium is treated both with pore-networks and digital reconstruction. Specifically, in this study it is examined the dispersion of molecules of a solute in porous networks, a new reconstruction technique is presented for heterogeneous granular materials and also a methodology is developed for the study of gas flow in reconstructed porous media in the transient regime, where the mean free path of the gas molecules is comparable with the characteristic length of the pores and thus the continuum description is no longer valid. The effect of the mixing in the pores or the junctions of the pores on the dispersion of molecules of a solute in porous media is examined through various simulation techniques with emphasis on the details of the flow and mass transport in the area of the junction. It was found that a new random-walk technique is reproducing with good accuracy the dispersion coefficient for low and average values of the Peclet number, due to the fact that it takes into account the backwards, with respect to the main direction of the flow, movement of the molecules and the different residence time in each branch. Furthermore, a new reconstruction technique was developed for porous media. The technique is based on 2-phase lattice Boltzmann model, which describes the evolution of a gas-liquid system under the influence of the surface tension. This mechanism leads to the creation of correlated structures, where the morphology of the porous medium and the correlation factor are determined by the operating parameters of the model. The technique was applied successfully for the reconstruction of a real soil sample, starting from the information that is solely given from a microphotograph of a statistically adequate section of the material. Finally, the gas flow through porous media was examined at moderate Knudsen numbers, where the mean diameter of the pores is of the same order of magnitude with the mean free path of the gas molecules. The study was done mainly with the mesoscopic DSMC technique. The credibility of the technique was examined through the study of the isothermal gas flow through parallel plates. Additionally, the dynamic viscosity of a gas under rarefaction conditions was calculated and its dependence on the Knudsen number was shown. It was found that the results are approximated satisfactorily with an analytical Bosanquet-type equation that relates the effective viscosity with its value at the continuum limit and with the Knudsen number. Furthermore, it was studied for the first time with the DSMC method the gas flow through reconstructed porous media. The Klinkenberg effect was confirmed and the linear dependence of the permeability coefficient on the inverse pressure was shown. Finally an alternative approach was used for the calculation of gas flow though porous media in the transient regime through the development of a lattice Boltzmann model suitably modified for rarefied gas flows. The model was tested for the case of flow through parallel plates as well as for the case of flow through porous media and the agreement with the DSMC method was very satisfactory.