En kontinuummodell för Brownsk rörelse i förtunnande gas-partikelflöden

Forskningsprojekt, 2016 – 2019

Mycket små partiklar, med diametrar mellan en nanometer och en mikrometer, förekommer i stora antal både naturligt och i av människan skapade processer. De bildas till exempel i form av kolfragment vid förbränning eller som små, små droppar när temperaturen på en gasblandning sänks och en komponent kondenserar ut som vätska. WHO har identifierat luftföroreningar som den främsta hälsorisken i världen idag, och av alla föroreningar har just små partiklar störst påverkan på människors hälsa. Det existerar därför numera ett stort antal tekniska processer med vilka man försöker avskilja partiklarna för att rena såväl inomhusluft som avgaser. Därtill finns en rad tillverkningsprocesser i vilka närvaro av partiklar riskerar att förstöra tillverkningen av små och känsliga komponenter, samt ett stort antal tekniska utrustningar som med tiden riskerar att försämras genom erodering och deponering om partiklar finns i deras omgivning. Sammantaget finns ett mycket stort behov av kunskap i att avskilja partiklar ur en partikel-gas-blandning.

Detta forskningsprojekt syftar till att ta fram en effektiv modell för att kunna studera små partiklars rörelse och deposition i små utrymmen. Med små utrymmen avses här till exempel porerna i ett poröst filtermaterial eller kanaler för partikel-gasströmning med en diameter på ett tiotal mikrometer eller mindre. Den vetenskapliga utmaningen består framförallt i att denna problemställning existerar i gränslandet mellan traditionell strömningsmekanik och rent molekylära processer. Det finns idag ingen beräkningsmodell med strömningsmekanisk grund som kan hantera system när både förekommande partiklar och geometrin som omgärdar strömningen börjar närma sig det genomsnittliga avståndet mellan de molekyler som utgör gasen. Det existerar visserligen molekylärt baserade beräkningsmodeller som kan hantera sådana system, men de är framtagna för ännu betydligt mindre geometrier och är i praktiken alldeles för beräkningstunga för att kunna tillämpas för att besvara de frågeställningar som är målet för detta projekt. Det främsta målet i detta arbete är således att ta fram en användbar modell på strömningsmekanisk grund för gas-partikel-strömning i små geometrier. Framtagandet av en sådan modell kommer att möjliggöras genom att kombinera teoretiskt arbete med insikter inhämtade från beräkningar med molekylära metoder och från experiment där små partiklars rörelse studeras i olika geometrier.

De vetenskapliga frågor som den nya beräkningsmodellen kommer att användas för att besvara handlar om de fenomen som styr när små partiklar lämnar en gas-partikel-ström och stannar på en yta. Ytans utseende och form förändras i takt med att fler och fler partiklar tillkommer, och med den förändras även strömningsbilden i kanalen/poren. Frågor som kommer att ställas och besvaras inom ramen för detta forskningsprojekt är till exempel: Är det möjligt att teoretiskt bestämma hur ett poröst material borde vara uppbyggt från grunden för att maximera eller minimera deposition av en viss typ av partiklar? Hur kan man styra hur jämn eller ojämn depositionen av partiklar blir inuti en filterpor? Hur påverkas kostnaden (i form av tryckfall) för att fånga in en given andel partiklar ur en gas av pordiameterns storlek? Införskaffandet av tillräcklig förståelse för små partiklars rörelse i trånga porer och kanaler för att kunna besvara dessa frågor kommer att medföra ett stort kliv framåt för en rad spännande forskningsfält med angränsningar till nanoteknik, kemisk processteknik, energiteknik och strömningsmekanik.