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.     

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。     

基于UGKS的过渡区方柱绕流数值研究

本文基于统一气体动理学格式(Unified Gas Kinetic Scheme,UGKS),对微尺度过渡区气体绕流方柱开展数值模拟研究,计算分析了Kn数对气体流动传热过程的影响规律。研究发现,随着Kn数增加,方柱壁面气体速度滑移和温度跳跃增大,壁面上压力、剪切力和热流也相应增大,方柱壁面-气体之间的换热得到强化;方柱对气体流动的阻碍作用减小,方柱前滞止区影响范围相对增大,方柱温度对柱后区域气体温度影响相对减小。     

几何参数对低波纹通道流动与换热特性的影响

本文对几种不同几何模型的低波纹通道进行了传热及阻力性能数值研究,在一定的流速范围内得出了传热和阻力的特性曲线.分析了通道高度、波纹波峰高度、通道宽度对流动与换热的影响.结果表明,通道高度越小,换热越强,同时压降也增加;波纹波峰高度越大,换热加强,压降也相应增加;通道宽度越大,换热几乎不变,但压降随之降低.     

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。     

黑磷纳米通道内压力驱动流体流动特性

运用分子动力学方法探索了水-黑磷流-固界面各向异性、水流驱动力、黑磷通道宽度和黑磷层数等对黑磷通道内Poiseuille水流流动特性的影响规律.研究结果表明:随着驱动力的增加,边界滑移速度随之增加各向异性也会对压力驱动作用下纳米通道内的水分子的流动特性产生影响,具体表现为边界滑移速度会随着手性角度的增加而减小,而水分子黏度系数却不受各向异性的影响.发现黑磷表面天然的褶皱结构所产生的粗糙势能表面,是导致流固界面各向异性特性的本质原因.在加速度值保持不变的情况下,研究纳米通道宽度和黑磷层数对水分子流动特性的影响,发现随着纳米通道宽度的增加,水分子滑移速度随之减小;双层模型中水分子的速度分布与单层模型差异微小,而随着层数的增加,黑磷-水流固交互界面能随之增加,各向异性规律依然保持不变.研究结果将为水-黑磷流体器件设计与制备提供理论基础.     

微通道中气体流动的格子Boltzmann数值模拟

采用可压缩格子Boltzmann模型及非平衡外推边界条件,数值模拟微通道中的气体在滑移区域(Kn≤0.1)内的流动,计算结果包括出口速度剖面、通道中心压力分布以及质量流率等,与理论结果及其他实验结果符合得很好.还模拟了180°弯曲通道中的气体流动.结果表明,滑移速度的存在抑制了边界层的分离,因此在弯曲处不存在漩涡.计算结果还表明,弯道的存在显著影响了气体的质量流率.     

千瓦级氩电弧加热发动机的二维数值模拟

本文对千瓦级氩电弧加热发动机内的传热与流动进行了数值模拟研究,获得了典型工况下发动机内温度、速度和马赫数以及发动机喷管温度等参数分布。模拟结果表明,工作气体主要是在阴极下游附近以及约束通道内被加热电离,气体在发动机喷管的上游为亚音速流动,经过约束通道后转变为超音速流动。在进气总压一定时,随着弧电流的增加,发动机出口温度和速度均随之增加,但工作气体流量略有下降。     

微通道内滑移区气体-颗粒流动传热数值模拟

本文针对微通道内气粒间流动传热过程开展数值研究,所建模型中气体处理为可压缩/变物性流体,并在气固交界处采用速度滑移和温度跳跃边界条件以考虑其微尺度效应。在数值研究基础上,分析了微通道受限空间、克努森数、气体流速以及颗粒表面温度对微通道内气粒换热的影响。研究结果表明,受限空间结构将强化气粒间换热过程,颗粒表面平均传热努赛尔数随微通道气体流量增大而增大,克努森数增大以及颗粒表面温度升高都将导致颗粒表面平均传热努赛尔数减小。     

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     

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     

微尺度振荡Couette流的格子Boltzmann模拟

采用有效多松弛时间-格子Boltzmann方法(Effective MRT-LBM)数值模拟了微尺度条件下的振荡Couette和Poiseuille流动. 在微流动LBM中引入Knudsen边界层模型,对松弛时间进行修正. 模拟时平板或外力以正弦周期振动,Couette流中考虑了单平板振动、上下板同相振动这两类情况. 研究结果表明,修正后的MRT-LBM模型能有效用于这类非平衡的微尺度流动模拟;对于Couette流,随着Kn数的增大,壁面滑移效应变得越明显. St越大,板间速度剖面的非线性特性越剧烈;两板同相振荡时,若Kn,St均较小,板间流体受到平板拖动剪切的影响很小,板间速度几乎重叠在一起;在振荡Poiseuille流动中,St数增大到一定值时,相位滞后现象减弱;相对于Kn数,St数对振荡Couette 和Poiseuille流中不同位置处速度相位差的产生有较大影响. 关键词： 格子Boltzmann方法 有效MRT模型 Knudsen层 振荡流     

压缩性和稀薄性对微通道气体流动换热的影响

本文对于微通道内稀薄气体二维可压缩滑移流动建立了数学模型,采用连续介质流动控制方程与壁面速度滑移和温度跳跃边界条件相组合描述该问题,并利用SIMPLE算法求解,所得结果与文献进行了对比,在相同条件下得到了较高的一致性.文中利用该计算模型的计算结果分析了气体的压缩性和稀薄性对微通道气体流动的影响,结果表明在所计算工况下稀薄性的影响更大。     

纳米通道内液体流动的分子动力学研究

本文采用分子动力学方法模拟液体在定截面及变截面纳米通道内的三维Poiseuille流动,研究液体浸润性及通道截面变化对纳米通道内液体流动的影响.研究结果表明:液体对壁面不湿润时,壁面处有速度滑移存在,并且随接触角的增大而增大,液体对壁面湿润则不存在速度滑移;同时,摩擦阻力系数随接触角的减小而增大.通道截面形状的变化对流场的影响随着远离变截面位置而迅速减弱,对流体通道平直处的流体速度相对值分布影响不大,对摩擦阻力系数影响较大.     

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.     

波纹通道换热特性的三维数值研究和场协同分析

应用计算流体力学CFD(Computational Fluid Dynamics)方法,对顺人字组合及软硬板组合波纹通道内三维稳态湍流流场进行了数值模拟,定量计算了不同流动速度和不同结构参数下波纹通道的传热因子j和摩擦系数f,得到了波纹通道换热与流动阻力随波纹夹角β及波纹密度λ/h的变化规律,进而对波纹通道进行了整体性能评价,并从场协同理论角度,分析了波纹通道强化换热的机理。     

周期性波纹通道内换热与流动的数值研究

采用曲线坐标系下压力与速度耦合的SIMPLER算法,数值研究了一种紧凑换热器中波纹通道内周期性充分发展的层流流动与换热情况,流动Re数的范围为100~1100,Pr数为0.7.计算考察了不同波纹高度、波纹间距对流动与换热的影响,并对模型参数进行了性能评价.计算结果表明,整体Nu数及fRe数随着流动Re数的增加而增加.随着波纹高度的增加或波纹间距的减小,换热增强,特别是在高Re数下波纹高度的增加更加强化换热.最佳波纹高度和间距分别为1.15 mm和13 mm.     

纳米孔隙内混合气体流动特性的分子动力学模拟

纳米孔隙内气体流动的理论预测对气体微流控器件的设计和制造具有重要的理论指导作用,文章采用分子动力学方法研究了氮气、氧气和二氧化碳混合气体在平行壁纳米孔隙内的剪切流动特性和边界滑移特性.研究结果表明:随着加入二氧化碳比例的不断增加,混合气体滑移速度不断增大,并且当二氧化碳的比例低于20%时,混合气体流动速度沿孔隙宽度方向呈线性分布;而当比例达到40%后,其速度轮廓将呈现非线性趋势.当二氧化碳所占比例为20%时,随着孔隙宽度的增加,混合气体的整体边界滑移随之减小.探究了混合气体密度和气-固耦合强度对混合气体流动及边界滑移的影响机理.发现随着混合气体密度的减小,气流边界滑移增大;随着气-固界面耦合强度的增强,边界气体分子易被吸附而出现黏滑运动,气体分子在边界处的积聚现象增强,剪切应变率增大,边界滑移减小.      

三维纳米多孔介质内速度分布规律研究

为揭示气体纳米尺度输运特性,本文采用四参数随机重构方法构造了三维不规则纳米多孔介质,借助格子玻尔兹曼方法从孔尺度数值模拟气体在重构纳米多孔结构内的滑移流动过程,分析了气体表观渗透率、滑移程度,以及纳米孔内气体速度概率密度分布规律。研究结果表明：纳米多孔介质表观渗透率随等效粒径增大而增大;主流方向气体速度概率密度分布曲线呈指数函数递减规律,递减趋势依赖于等效粒径大小;考虑滑移效应后纳米多孔材料内速度概率密度的分布范围变窄,速度分布的均匀性增强。     

往复式压缩机进气软管内气体流动特性研究

采用CFD方法来对压缩机进气波纹软管内氦气流动问题进行数值模拟研究.结果表明:波纹软管内气体流动存在明显的回流区,并随着流速和管长的增加而愈加明显,对压缩机的进气量影响较大.