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微纳尺度气体流动和换热的Monte Carlo模拟

王沫然  
【摘要】:微纳尺度气体流动和换热机理的研究是推动MEMS和纳米科学与技术进一步发展的一个关键因素。由于特征尺寸小,努森数较大,传统的模拟方法不再适用,流动必须从分子运动的观点加以描述。直接模拟Monte Carlo法(DSMC)是适用范围最广、最可靠的模拟高努森数流动的数值方法。本文在理论分析的基础上,发展和使用DSMC法对微纳尺度气体流动和换热进行了模拟分析,并探讨了其物理机制。 为使DSMC适用于微纳尺度气体流动和换热的模拟,提出了一种处理压力边界的新方法,解决了前人方法中容易发散的问题,而且收敛速度显著提高;给出了处理非直通道进出口边界的具体方法,并对90度转角微通道内的气体流动进行了模拟,模拟结果与前人的实验数据基本符合,但转角处未发现流动分离现象。 对微尺度气体流动和常规尺度稀薄气体流动进行了相似性分析,总结归纳了微尺度气体流动与稀薄气体流动的相似性条件,即:几何形状和边界条件相似,同名准则数相等,且气体满足热完全气体假设。使用DSMC方法数值验证了上述相似性条件的正确性。 对于不满足热完全气体假设的van der Waals气体,分析并指出了现有模拟方法存在的问题及其原因,提出了一种基于Enskog方程的新算法——广义Enskog Monte Carlo法(GEMC),GEMC引入了广义分子碰撞模型以反映分子间吸引势对碰撞截面的影响,考虑了气体稠密效应对分子间碰撞率的强化,引入了考虑分子间吸引势的内能转化模型。与其它方法相比,新算法对输运系数的计算结果与实验数据符合得最好。GEMC的模拟表明,van der Waals效应使得气体流动在通道壁面的阻力系数减小。 为实现跨流区流动的全粒子法耦合求解,发展了一种适用于近连续区气体流动模拟的新方法——驰豫时间Monte Carlo法(RTMC)。 使用DSMC方法对微纳尺度气体轴承和微型Laval喷管内的气体流动和换热进行了模拟分析,并针对各自的设计要求提出了优化建议。


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