微直通道内气体滑移流动的二维理论和数值研究

以微直通道内气体滑移流动为例,采用扰动分析方法,结合不同阶滑移条件,得出N-S方程的理论解.采用不同滑移模型,对不同进出口压比、长宽比、工质的微通道流进行理论和数值分析,着重研究稀薄效应、热蠕动效应以及不同滑移条件对计算结果的影响.计算表明,努森数是表征稀薄效应的特征参数,而热蠕动效应的强弱依赖于雷诺数.在极大长宽比的低速流工况下,理论和数值结果与实验吻合很好.     

粗糙度与气体稀薄性对微尺度流动特性的影响

对氮气和氦气在粗糙微通道以及光滑微通道内流动进行了阻力特性实验研究。实验结果表明,即使在较小的相对粗糙度高度下,由于微通道中的粗糙度分布密集,会极大地增加流动阻力,这是导致文献中微通道流动阻力系数实验值相互偏差的主要原因之一;而对于滑移区的气体流动,气体稀薄性使流动阻力明显减小而导致流量增加。     

微尺度稀薄效应下颗粒沉降的格子Boltzmann方法模拟

基于多松弛格子Boltzmann模型,对竖直细长微通道内颗粒自由沉降过程进行模拟,分析气体稀薄效应、初始位置以及颗粒间相互作用对微颗粒沉降特性的影响.研究表明：随Knudsen数增大,微通道内气体稀薄效应增强,颗粒表面气体滑移速度增大,气相流体有效粘度减小,颗粒相同运动状态下受到气体阻力相应减小,颗粒沉降平衡速度明显增大;不同初始位置颗粒沉降过程存在明显差异,初始位置偏离中心线颗粒将发生水平方向位移且呈振荡趋势,最终稳定于中心线平衡位置;在微尺度双颗粒沉降DKT现象过程中,气体稀薄效应影响颗粒运动特性,后颗粒跟随过程明显增长.     

微通道中压力驱动Poiseuille流数值分析

采用26阶矩方程方法对稀薄气体在平板微通道与微圆通道中压力驱动的Poiseuille流动进行数值分析,获得稀薄气体在微通道内的速度分布、压力分布规律。数值分析结果表明:气体压力在微通道中沿主流方向呈非线性分布,且非线性程度随Kn数的增大而减小,分布趋势随Kn数的改变产生微小的变化;随Kn数的增大,微圆通道中气体沿径向速度分布出现双峰现象。研究结果与DSMC方法及格子-Boltzmann方法对比符合较好。     

直接模拟蒙特卡罗方法在微通道流动模拟中的应用

直接模拟蒙特卡罗方法是一种求解稀薄气体流动换热新的数值方法。本文采用该方法对Kn数跨越速度滑移区和过渡区的三个微通道内的流动进行了数值模拟,给出了通道内速度、压力及局部阻力系数的变化曲线.为了表明通道横纵比对流动的影响,还对每个算例在不同的横纵比下进行了比较。结果表明,微通道内的流动特性不仅与Kn数有关,而且与通道的横纵比也有很大的关系。     

微尺度流动的扩展二阶滑移边界条件

本文提出了求解微流动Navier-Stokes方程的扩展二阶滑移边界条件.该边界条件依赖一个有效的分子平均自由程,并考虑了气体分子与壁面碰撞的影响,能够刻画Knudsen层内的流动.基于该边界条件,对微通道内的气体流动进行了研究,计算结果与实验数据和其他理论结果相吻合.     

随机粗糙微通道内流动特性研究

采用计算流体动力学的方法, 研究了微通道内气体在速度滑移和随机表面粗糙度耦合作用下的流动特性. 其中, 利用二阶速度滑移边界条件描述气体的边界滑移, 利用分形几何学建立随机粗糙表面. 研究发现, 综合考虑二阶速度滑移边界条件和随机表面粗糙度在较大的平均Knudsen数范围内 (0.025-0.59) 得到的计算结果与实验数据符合得很好, 而一阶速度滑移边界条件只在平均Knudsen数较小时(<0.1)符合实验结果. 随机表面粗糙度对气体在边界处的滑移有显著影响, 相对粗糙度越大, 速度滑移系数越小. 并针对计算结果, 给出了滑移系数与相对粗糙度近似满足的关系. 随机粗糙表面对气体流动过程中的压强、速度、Poiseuille数也有显著影响. 关键词： 随机表面粗糙度 二阶速度滑移边界条件 分形 微通道     

微型摆式发动机间隙内部流动数值分析

本文采用离散速度方向模型对微型摆式发动机摆臂与腔体间隙内的微尺度气体流动开展了数值研究,分析了摆臂运动对间隙内压差驱动下气体流动阻力和流量的影响规律,并探究了气体稀薄性对间隙泄漏规律的影响。研究发现,当摆臂运动方向与压降方向相同时,稀薄气体效应导致的速度滑移相对于气体流动阻力对流量的变化起主导作用;当摆臂运动方向与压降方向相反时,由于微尺度下壁面作用的增强,在边界附近出现气体回流,且在气流进出口处出现涡结构。     

粗糙微通道内气体流动的分子动力学研究

为研究粗糙度对微通道内气体流动及其边界滑移性质的影响,采用分子动力学模拟方法研究了氩气在0.1 μm铂通道内的流动,通道表面粗糙度由三角粗糙元阵列构成。气体流动的边界条件决定于2个准则数: A/λ和Kn=λ/L(其中A为壁面粗糙度、λ为气体分子的平均自由程、L为流动系统的尺度)。Maxwell基于Kn的滑移模型当A/λ<0.25时适用;A/λ<1时,气体流动存在边界速度滑移,体现出稀薄效应,A/λ≈1时为无滑移,A/λ>1时为等效负滑移.     

子网格在DSMC中的作用及三角形子网格

本文采用直接模拟蒙特卡罗方法对二维微通道内Poiseuille流动进行了数值模拟,通过对不同网格密度下计算结果与"收敛"结果的比较,得到了计算网格特别是子网格系统对计算结果的影响;在此基础上,发展了基于Delaunay三角形非结构网格的子网格系统,讨论了采用该子网格的非结构化网格对模拟结果的影响,结果表明:该方法能有效提高模拟的准确性,而常规无子网格的非结构网格将"虚假"地增加气体流动的稀薄性。     

Lattice Boltzmann scheme for simulating thermal micro-flow

Gaseous flow and heat transfer in micro-channels are simulated by the lattice Boltzmann method (LBM). Thermal LB model with viscous heat dissipation has been adopted in the simulation. A new boundary treatment is proposed based on macro variables in order to capture the velocity slip and temperature jump. The numerical results show the velocity and temperature profiles are in agreement with the analytic results in different cases, which exhibits the availability of this model and boundary treatment in describing thermal micro-flow with viscous heat effect. The variation rules of temperature jump with different parameters are also discussed in this study.     

微通道内给定壁面热流的气体换热研究

本文利用实施给定热流边界条件的DSMC方法,对短通道内给定壁面热流边界条件下的气体换热情况进行了模拟.结果表明,壁面热流密度增大导致通道内压力分布非线性程度增加.随着热流密度的增大,截面速度分布趋于平缓,滑移速度增大.给定热流密度的通道壁面温度与气流截面平均温度的差值沿程增大,温度梯度沿程下降,气体稀薄性增大时,通道换热减弱.     

Discrete velocity modelling of gaseous mixture flows in MEMS

The need of developing advanced micro-electro-mechanical systems (MEMS) has motivated the study of fluid-thermal flows in devices with micro-scale geometries. In many MEMS applications the Knudsen number varies in the range from 10⁻² to 10². This flow regime can be treated neither as a continuum nor as a free molecular flow. In order to describe these flows it is necessary to implement the Boltzmann equation (BE) or simplified kinetic model equations.The aim of the present work is to propose an efficient methodology for solving internal flows of binary gaseous mixtures in rectangular channels due to small pressure gradients over the whole range of the Knudsen number. The complicated collision integral term of the BE is substituted by the kinetic model proposed by McCormack for gaseous mixtures. The discrete velocity method is implemented to solve in an iterative manner the system of the kinetic equations. Even more the required computational effort is significantly reduced, by accelerating the convergence rate of the iteration scheme. This is achieved by formulating a set of moment equations, which are solved jointly with the transport equations.The velocity profiles and the flow rates of three different binary mixtures (He–Ar, Ne–Ar and He–Xe) in 2D micro-channels of various height to width ratios are calculated. The whole formulation becomes very efficient and can be implemented as an alternative methodology to the classical method of solving the Navier–Stokes equations with slip boundary conditions, which in any case is restricted by the hydrodynamic regime.     

Viscous Slip MHD Flow over a Moving Sheet with an Arbitrary Surface Velocity

The magnetohydrodynamic(MHD) flow induced by a stretching or shrinking sheet under slip conditions is studied.Analytical solutions based on the boundary layer assumption are obtained in a closed form and can be applied to a flow configuration with any arbitrary velocity distributions. Seven typical sheet velocity profiles are employed as illustrating examples. The solutions to the slip MHD flow are derived from the general solution and discussed in detail. Different from self-similar boundary layer flows, the flows studied in this work have solutions in explicit analytical forms. However, the current flows require special mass transfer at the wall, which is determined by the moving velocity of the sheet. The effects of the slip parameter, the mass transfer at the wall, and the magnetic field on the flow are also demonstrated.     

压力边界条件下微通道内气体流动换热特性研究

本文用直接模拟蒙特卡罗方法对给定进出口压力边界条件下微通道内气体的流动换热特性进行了数值模拟,给 出了壁面与流体的温差对气体沿程压力、温度及数密度分布的影响。计算结果表明,当壁温高于流体温度时,温差仅出现 在通道进出口处,但其发生机理却不同;流体可压缩性与稀薄性均得到增强,沿程压力分布更加非线性。     

非对称纳米通道内流体流动与传热的分子动力学

采用分子动力学方法研究了流体在非对称浸润性粗糙纳米通道内的流动与传热过程,分析了两侧壁面浸润性不对称对流体速度滑移和温度阶跃的影响,以及非对称浸润性组合对流体内部热量传递的影响.研究结果表明,纳米通道主流区域的流体速度在外力作用下呈抛物线分布,但是纳米通道上下壁面浸润性不对称导致速度分布不呈中心对称,同时通道壁面的纳米结构也会限制流体的流动.流体在流动过程中产生黏性耗散,使流体温度升高.增强冷壁面的疏水性对近热壁面区域的流体速度几乎没有影响,滑移速度和滑移长度基本不变,始终为锁定边界,但是会导致近冷壁面区域的流体速度逐渐增大,对应的滑移速度和滑移长度随之增大.此时,近冷壁面区域的流体温度逐渐超过近热壁面区域的流体温度,流体出现反转温度分布,流体内部热流逆向传递.随着两侧壁面浸润性不对称程度增加,流体反转温度分布更加明显.     

Lattice Boltzmann modeling of microchannel flow in slip flow regime

We present the lattice Boltzmann equation (LBE) with multiple relaxation times (MRT) to simulate pressure-driven gaseous flow in a long microchannel. We obtain analytic solutions of the MRT-LBE with various boundary conditions for the incompressible Poiseuille flow with its walls aligned with a lattice axis. The analytical solutions are used to realize the Dirichlet boundary conditions in the LBE. We use the first-order slip boundary conditions at the walls and consistent pressure boundary conditions at both ends of the long microchannel. We validate the LBE results using the compressible Navier–Stokes (NS) equations with a first-order slip velocity, the information-preservation direct simulation Monte Carlo (IP-DSMC) and DSMC methods. As expected, the LBE results agree very well with IP-DSMC and DSMC results in the slip velocity regime, but deviate significantly from IP-DSMC and DSMC results in the transition-flow regime in part due to the inadequacy of the slip velocity model, while still agreeing very well with the slip NS results. Possible extensions of the LBE for transition flows are discussed.     

粗糙纳通道内流体流动与传热的分子动力学模拟研究

为研究粗糙表面对纳尺度流体流动和传热及其流固界面速度滑移与温度阶跃的影响,本文建立了粗糙纳通道内流体流动和传热耦合过程的分子动力学模型,模拟研究了粗糙通道内流体的微观结构、速度和温度分布、速度滑移和温度阶跃并与光滑通道进行了比较,并分析了固液相互作用强度和壁面刚度对界面处速度滑移和温度阶跃的影响规律. 研究结果表明,在外力作用下,纳通道主流区域的速度分布呈抛物线分布,由于流体流动导致的黏性耗散使得纳通道内的温度分布呈四次方分布. 并且,在固体壁面处存在速度滑移与温度阶跃. 表面粗糙度的存在使得流体剪切流动产生了额外的黏性耗散,使得粗糙纳通道内的流体速度水平小于光滑通道,温度水平高于光滑通道,并且粗糙表面的速度滑移与温度阶跃均小于光滑通道. 另外,固液相互作用强度的增大和壁面刚度的减小均可导致界面处速度滑移和温度阶跃程度降低. 关键词： 速度滑移 温度阶跃 流固界面 粗糙度