Slip boundary conditions at catalytic walls

Slip boundary conditions allow to correctly represent the gas/solid interaction at the boundaries in rarefied flows and microfluidic systems. This work analyses the effects that catalytic reactions have on slip boundary conditions, which are relevant to the computation of reactions rates and heat fluxes for atmospheric reentry vehicles and microcombustors: today, numerical studies rely on the hypothesis of no-slip boundary condition, and slip models have the potentiality to improve the accuracy of the results and to allow further reduction in the dimensions. However, most of the studies related to slip boundary conditions have focused on the case of monoatomic gases or mixtures of monoatomic gases, and only limited attempts have been done to extend the results to the case of polyatomic gases. Additionally, catalytic reactions introduce the need to consider ulterior phenomena, such as the concentration jump at the wall and its interaction with the reaction rates. Due to the complexity of the problem, only the half-flux approach from [7], [23], [35] and [37] attempts to model the effect of reactions on velocity slip and temperature jump; yet, it introduces a strong hypothesis and no numerical validation is available. This work proposes Direct Simulation Monte Carlo (DSMC) as reliable tool to evaluate slip phenomena at catalytic walls, with limited increase of complexity for the simulation settings. The results from DSMC simulations have been successfully used to evaluate the performances of the half-flux model, which is found to have evident limitations in predicting the variation of the coefficients.

Le condizioni al contorno di slip permettono di rappresentare correttamente l’interazione fra fluido e parete in condizioni di gas rarefatto e in sistemi microfluidici. Questo elaborato tratta dell’effetto che reazioni catalitiche a parete hanno sulle condizioni di slip. Ciò risulta rilevante al calcolo della velocità di reazione e dei flussi di calore per velivoli per il rientro atmosferico e microreattori. Oggi, studi numerici in quest’ambito fanno affidamento sull’ipotesi di no-slip e, pertanto, adeguati modelli di slip avrebbero la capacità di migliorare l’accuratezza dei risultati e la potenzialità di ridurre ulteriormente le dimensioni del sistema in analisi. Ciononostante, il materiale a riguardo è limitato e studi si concentrato principalmente su gas monoatomici e le loro miscele, con pochi lavori che affrontino il caso di gas poliatomici. Reazioni chimiche non soltanto coinvolgono necessariamente miscele di gas poliatomici, ma coinvolgono fenomeni che dipendono dalla composizione della miscela, come il “salto di concentrazione” a parete e il suo effetto sulla velocità di reazione. A causa della complessità del problema, in letteratura è stato trovato solo il metodo di “mezzo-flusso” [7, 23, 35, 37] che tenti di modellare l’effetto di reazioni catalitiche sulle condizioni di slip di velocità e di salto di temperatura; comunque, considerevoli problematiche sono associate alle ipotesi del metodo e nessuna validazione numerica o sperimentale è disponibile. In questo lavoro, il metodo di Simulazione Diretta Monte Carlo (DSMC) è proposto come uno strumento affidabile per valutare fenomeni di slip su superfici catalitiche, con un aumento minimo della complessità della simulazione. I risultati da simulazioni DSMC sono stati usati per valutare le prestazioni del modello di “mezzo-flusso”, il quale risulta avere evidenti limiti nel predire la variazione dei diversi coefficienti.