不同形状微管道中的气体流动

不同形状微尺度管道(圆形、六边形、半圆形、不同宽高比的矩形)中的气体流动特性是微机电系统设计最为关心的问题之一.文中利用信息保存(IP)方法和直接模拟Monte Carlo(DSMC)方法进行研究,给出两种方法的计算结果相互符合,并与其它研究者的BGK模型方程计算结果进行了比较.对于微尺度管道中关心的低Mach数流动, IP方法的统计收敛效率明显优于DSMC方法.通过拟合IP和DSMC结果,给出了圆形、六边形、半圆形、不同宽高比的矩形截面情况下无量纲质量流率与等效Knudsen数的关系.     

微尺度圆管内气体流量的实验测量

以氮气和氦气为工作介质,研究了微尺度(φ=17.6μm,17.9μm)圆管内压力驱动的气体流动,测量了在不同进出口压力下的流量,并与计算值进行了比较.结果表明,即使对于极低Mach数(M=0.003～0.03)流动,其可压缩性仍十分明显,它来源于微尺度效应.在本文的实验参数下,Kundsen数范围为3×10-3～7×10-3,表面滑移不明显,稀薄气体效应可以忽略.     

稀薄气体动力学: 进展与应用

简要回顾了稀薄气体动力学的发展历程; 重点介绍了该领域最近二三十年的主要进展, 这突出表现在分子模拟方法(DSMC 方法、信息保存方法等) 的迅速发展与成功应用; 概述了航天工业、真空技术、微机电系统等尖端技术中的稀薄气流问题, 以及最近几届国际稀薄气体动力学会议的主题. 在此基础上指出了学科前沿问题, 以及几个与实际应用有关的重大问题, 如过渡流区高超声速三维非平衡流场的精细预测和实验验证、热层大气的时空演化规律与探测、以气体为介质的微机电系统设计与优化、真空环境下原子水平的材料制备工艺的定量设计.     

开式空腔流动的蒙特卡罗直接模拟

蒙特卡罗直接模拟(Direct Simulation Monte-Carlo)方法是一种基于分子动力论的随机性数值模拟方法，它在各类稀薄气体流动模拟中得到了广泛应用。本文首先讨论了DSMC方法的基本原理，引用文献结果论述了DSMC方法与Boltzmann方程的内在一致性，采用DSMC方法从分子运动论层次对过渡区开式空腔流动进行精细模拟，再现空腔内旋涡的形成及发展过程，了解复杂流场的流场特性。模拟和分析了空腔的形状(展弦比)、壁温以及Knudsen数(稀薄性)等因素对空腔内流动和旋涡结构的影响。研究表明，空腔的展弦比、壁面温度以及流动Knudsen数等因素对空腔内旋涡的大小、形状、位置、个数都有极大的影响，应用DSMC方法可以真实再现稀薄条件下的开式空腔流动。     

Navier-Stokes方程二阶速度滑移边界条件的检验

对微尺度气体流动,Navier-Stokes方程和一阶速度滑移边界条件的结果与实验数据相比,在滑移区相互符合,在过渡领域则显著偏离.为改善Navier-Stokes方程在过渡领域的表现,有些研究者尝试引入二阶速度滑移边界条件,如Cercignani模型,Deissler模型和Beskok-Karniadakis模型.以微槽道气体流动为例,将Navier-Stokes方程在不同的二阶速度滑移模型下的结果与动理论的直接模拟Monte Carlo(DSMC)方法和信息保存(IP)方法以及实验数据进行比较.在所考察的3种具有代表性的二阶速度滑移模型中,Cercignani模型表现最好,其所给出的质量流率在Knudsen数为0.4时仍与DSMC和IP结果相符;然而,细致比较表明,Cercignani模型给出的物面滑移速度及其附近的速度分布在滑流区和过渡领域的分界处(Kn=0.1)已明显偏离DSMC和IP的结果.     

考虑稠密气体效应的微尺度气体轴承模拟

当气体流动区的局部压力升高到一定程度时,气体稠密效应对其输运特性的影响不可忽略,其影响可以用Enskog理论来描述。利用直接模拟蒙特卡罗(DSMC)方法以及考虑气体分子稠密效应的衍生方法对气体粘度随特征尺度的变化规律和气体粘度随密度变化的规律进行了计算分析,在此基础上研究了考虑稠密效应的微尺度气体轴承的承载能力。计算结果表明,稠密效应在抵消掉气体稀薄效应的同时还改变了输运系数和气体薄膜的润滑特性,提高了气体轴承的承载能力。     

过渡区气体微尺度流动的格子Boltzmann模拟

采用格子Boltzmann方法(LBM)对过渡区内的微尺度气体流动进行了模拟研究. 在已有滑移区微流动LBM模型中引入Knudsen层速度修正,选取合适的修正函数表达式并依据动理论确定了可调参数的合理取值. 在边界条件的处理格式上,采用了适合过渡区模拟的高阶滑移边界的替代格式来捕捉过渡区微流动的滑移速度,避免了直接求解高阶速度导数项的数值困难. 通过对两类不同的微流动进行模拟的结果表明:与数值解吻合得较好,尤其是对Kn>0.5微流动滑移速度的预测,与已有LBM的模拟结果相比有明显的提高.      

气体运动论数值算法在微槽道流中的应用研究

简要介绍基于Boltzmann模型方程的气体运动论数值算法基本思想及其对二维微槽道流动问题数值计算的推广，并阐述适用于微尺度流动问题的气体运动论边界条件数值处理方法。通过对压力驱动的二维微槽道流动问题进行数值模拟，将不同Knudsen数下的微槽道流计算结果分别与有关DSMC模拟值和经滑移流理论修正的N—S方程解进行比较分析，表明基于Boltzmann模型方程的气体运动论数值算法对微槽道气体流动问题具有很好的模拟能力。     

稀薄气流在麦克斯韦类型边界条件下对球的绕流

本文讨论低速稀薄气流(K_n《1)中圆球阻力问题,在Knudsen层中取分子在表面作Maxwell类型反射的壁面条件求解线性B-K-W方程,而以Stokes区的匹配渐近展开解为无穷远处的边界条件,在表面与均匀来流间温差为小量的假设下得到了小K_n数下圆球绕流的解。除稀薄气体效应外,还考虑了惯性效应和分子在表面的反射机制,所得的球阻表达为K_n、Re和热适应系数α的函数。     

复杂微通道气体流动的格子Boltzmann模拟

构建了一个模拟复杂微通道内气体流动的多松弛格子Boltzmann模型。该模型采用动力学曲面滑移边界,考虑了微尺度效应和努森层影响。此外,为了更准确地描述微通道内气体的滑移速度,在模型中引入孔隙局部Kn数来代替平均Kn数。之后采用Poiseuille流对模型进行验证,模拟结果与用直接模拟蒙特卡洛方法和分子模拟结果吻合较好,证明了该模型模拟微通道内处于滑移区和过渡区气体流动的有效性。最后,采用该模型模拟多孔介质内气体渗流过程。结果表明,随着孔隙平均Kn数的增加,多孔介质内的高渗区域增加,且优先从小孔隙中开始增加,这是由于小孔隙中微尺度效应更加明显,相对大孔隙流动阻力更小所致。     

基于Boltzmann模型方程的气体运动论统一算法研究

模型方程出发,研究确立含流态控制参数可描述不同流域气体流动特征的气体分子速度分布函数方程; 研究发展气体运动论离散速度坐标法, 借助非定常时间分裂数值计算方法和NND差分格式, 结合DSMC方法关于分子运动与碰撞去耦技术, 发展直接求解速度分布函数的气体运动论耦合迭代数值格式; 研制可用于物理空间各点宏观流动取矩的离散速度数值积分方法, 由此提出一套能有效模拟稀薄流到连续流不同流域气体流动问题统一算法. 通过对不同Knudsen数下一维激波内流动、二维圆柱、三维球体绕流数值计算表明, 计算结果与有关实验数据及其它途径研究结果(如DSMC模拟值、N-S数值解)吻合较好, 证实气体运动论统一算法求解各流域气体流动问题的可行性. 尝试将统一算法进行HPF并行化程序设计, 基于对球体绕流及类``神舟'返回舱外形绕流问题进行HPF初步并行试算, 显示出统一算法具有很好的并行可扩展性, 可望建立起新型的能有效模拟各流域飞行器绕流HPF并行算法研究方向. 通过将气体运动论统一算法推广应用于微槽道流动计算研究, 已初步发展起可靠模拟二维短微槽道流动数值算法; 通过对Couette流、Poiseuille流、压力驱动的二维短槽道流数值模拟, 证实该算法对微槽道气体流动问题具有较强的模拟能力, 可望发展起基于Boltzmann模型方程能可靠模拟MEMS微流动问题气体运动论数值计算方法研究途径.      

MEMS稀薄气体内部流动模拟中的信息保存法

首先综述了处理低速稀薄气体流动的一些方法: 线化Boltzmann方程方法、Lattice Boltzmann方法(LBM)、加滑移边界的Navier-Stokes方程、以及DSMC方法, 并讨论它们在模拟MEMS中过渡领域低速流动特别是内部流动所遇到的困难, 其中表明了LBM现有方案不适合模拟过渡领域中的MEMS流动问题. 信息保存(IP)法通过保存一个模拟分子所代表的大量分子的平均信息,克服了流速低使得信息噪声比小而引起统计模拟的困难. 本文给出了方法的一些理论证实. MEMS中内部流动的特点, 即流速低和大的长宽比的特点, 引起椭圆性问题, 即出入口边界条件相互影响需要协调的问题. 通过对(长约几千微米的)微槽道流动应用IP方法的算例,演示了采用守恒形式的质量守恒方程和超松弛法可成功地解决这一问题. 借助同样的方法,用IP方法求解了真实长度(1\,000\,$\mu$m)硬盘驱动器读写头在过渡领域的薄膜支撑问题, 压力分布与具有严格气体动理论基础的概括化Reynolds方程完全相符, 而在此之前, DSMC方法只对短的读写头(5\,$\mu$m)与Reynolds方程做了校验. 作者建议将原来用于求解读写头润滑问题的Reynolds方程退化来求解过渡领域中的微槽道流动问题, 从而提供了一个有严格气体动理论品性的检验方法来验证求解MEMS内部流动的各种方法.      

MEMS系统中微平板结构声振耦合性能研究

微机电系统(micro-electro-mechanical system,MEMS) 是指内部微结构尺寸在微米甚至纳米量级的微电子机械装置,是一个独立的智能系统. 长宽厚均处于微米量级的微平板为MEMS 中的典型结构,其声学和力学特性直接影响MEMS 的性能. 针对同时受声压激励和气膜力(通过考虑相同尺寸微平板振动引入) 作用的四边简支微平板结构,应用Cosserat 理论和Hamilton 原理,建立了考虑微尺度效应(本征长度和Knudsen 数)影响的声振耦合理论模型,并通过多重Fourier 展开法求解了耦合方程,得到了系统的传声损失结果. 通过频域分析,考虑微平板的不同振动频率、振动幅度和板间距,系统研究了不同尺度效应下微结构中气体薄膜所产生的阻尼力对微平板结构传声特性的影响. 研究发现尺度效应对于微结构的声振特性影响巨大,振动行为对微结构的传声特性也有很大影响,控制并减小微平板的振动幅度以及增大微平板的间距都能够提高微平板的声振性能. 研究结果为MEMS 中微平板的稳定性优化设计提供了理论参考.      

Gas-kinetic numerical method for solving mesoscopic velocity distribution function equation

A gas-kinetic numerical method for directly solving the mesoscopic velocity distribution function equation is presented and applied to the study of three-dimensional complex flows and micro-channel flows covering various flow regimes. The unified velocity distribution function equation describing gas transport phenomena from rarefied transition to continuum flow regimes can be presented on the basis of the kinetic Boltzmann–Shakhov model equation. The gas-kinetic finite-difference schemes for the velocity distribution function are constructed by developing a discrete velocity ordinate method of gas kinetic theory and an unsteady time-splitting technique from computational fluid dynamics. Gas-kinetic boundary conditions and numerical modeling can be established by directly manipulating on the mesoscopic velocity distribution function. A new Gauss-type discrete velocity numerical integration method can be developed and adopted to attack complex flows with different Mach numbers. HPF parallel strategy suitable for the gas-kinetic numerical method is investigated and adopted to solve three-dimensional complex problems. High Mach number flows around three-dimensional bodies are computed preliminarily with massive scale parallel. It is noteworthy and of practical importance that the HPF parallel algorithm for solving three-dimensional complex problems can be effectively developed to cover various flow regimes. On the other hand, the gas-kinetic numerical method is extended and used to study micro-channel gas flows including the classical Couette flow, the Poiseuille- channel flow and pressure-driven gas flows in two-dimensional short micro-channels. The numerical experience shows that the gas-kinetic algorithm may be a powerful tool in the numerical simulation of micro-scale gas flows occuring in the Micro-Electro-Mechanical System (MEMS). The project supported by the National Natural Science Foundation of China (90205009 and 10321002), and the National Parallel Computing Center in Beijing. The English text was polished by Yunming Chen.     

Weakly rarefied gas flows between nonuniformly heated parallel plates

The aim of this research is to establish the validity of the predictions of the theory of slow nonisothermal flows, to study the limits of applicability (with respect to the Knudsen number) of the conclusions reached and to determine the effect of the Knudsen layers on these flows on the basis of a numerical investigation of slow nonisothermal weakly rarefied gas flow in a plane infinite channel with weakly nonequilibrium heating of the walls and a finite wall temperature difference. The gas flow is described by a relaxation transport equation. The results obtained show how quickly, as the Knudsen number decreases, the solutions of the transport equation outside the Knudsen layers tend to the solution of the equations of gas dynamics of slow nonisothermal flows (and not to the solution of the Navier-Stokes equations).Translated from Izvestiya Akademii Nauk SSSR, Mekhanika Zhidkosti i Gaza, No. 1, pp. 115–121, January–February, 1988.     

Simulations for gas flows in microgeometries using the direct simulation Monte Carlo method

Micro gas flows are often encountered in MEMS devices and classical CFD could not accurately predict the flow and thermal behavior due to the high Knudsen number. Therefore, the gas flow in microgeometries was investigated using the direct simulation Monte Carlo (DSMC) method. New treatments for boundary conditions are verified by simulations of micro-Poiseuille flow, compared with the previous boundary treatments, and slip analytical solutions of the continuum theory. The orifice flow and the corner flow in microchannels are simulated using the modified DSMC codes. The predictions were compared with existing experimental phenomena as well as predictions using continuum theory. The results showed that the channel geometry significantly affects the microgas flow. In the orifice flow, the flow separation occurred at very small Reynolds numbers. In the corner flow, no flow separation occurred even with a high driving pressure. The DSMC results agreed well with existing experimental information.