微尺度气体滑动轴承的Monte Carlo模拟与性能分析

改进了直接模拟Monte Carlo (DSMC)方法并模拟研究了轴承构型、滑动速度、壁温及环境压力对微气体滑动轴承内部压力分布及承载能力的影响.结果表明:轴承的几何构型和滑动速度对轴承的性能影响很大,对于相同长度的轴承,气体的峰值压力与轴承的承载能力随轴承出口尺寸的减小和滑动速度的增大而增大;当轴承的几何形状和滑动速度固定时,通道壁温和环境压力是影响轴承性能的重要因素,壁温越高,轴承的承载能力越强;环境压力不同,轴承性能亦有所不同.     

纳米尺度下气体薄膜润滑理论研究

提出了依赖于逆Knudsen数的纳米尺度影响因子Np，修正了目前应用较为普遍的FK-Boltzmann模型，并给出了其数值计算结果。结果表明：当膜厚小于单个空气分子平均自由程时，由于纳米尺度效应的影响，流量因子有所减小，承载能力略微增加。     

微尺度气体流动

了解微尺度气体流动特点是微机电系统设计和优化的基础.有关的研究可以上溯到20世纪初Knudsen的平面槽道流动质量流量的测量和Millikan的小球阻力系数的测量,实验结果揭示了稀薄气体效应即尺度效应对气体运动的重要影响.由于流动特征长度很小,微尺度气流经常处于滑流区甚至过渡领域,流动的相似参数为Knudsen数和Mach数.因此可以考虑利用相似准则,通过增大几何尺寸、减小压力的途径,解决微机电系统实验观测遇到的困难.为解决直接模拟Monte Carlo方法分析微机电系统中低速稀薄气流遇到的统计涨落困难,我们提出了信息保存法(IP),该方法能够有效克服统计散布,并已成功用于多种微尺度气流.      

气体动理学格式与多尺度流动模拟

介绍了气体动理学格式(GKS)的基本构造原理及其在两种典型多尺度流动模拟中的应用。GKS利用介观BGK方程的跨尺度演化解来构造网格界面上的数值通量,从而发展出能随计算网格尺度变化自动切换物理模型的多尺度方法。对湍流这种宏观多尺度流动,发展了高精度GKS方法并成功用于低雷诺数湍流的直接数值模拟;为实现对高雷诺数湍流的高效精细模拟,基于拓展BGK方程和已有的RANS,LES模型建立了新型多尺度模拟框架。对跨流域稀薄流动,发展了适合大规模并行的三维统一气体动理学格式(UGKS),并建立了适合轴对称稀薄流动的UGKS。研究表明,GKS在多尺度流动高效模拟中的优异性能,具有很好的发展前景。     

气体化学反应流动的DSMC／EPSM混合算法研究

发展了平衡粒子模拟方法(EPSM)，建立了与高温气体化学反应动力学理论相匹配的：EPSM耦合模型，并通过混合参数进行流区的自动识别，将：EPSM方法与蒙特卡罗直接模拟方法(OSMC)结合，构造了可模拟化学反应流动的DSMC／EPSM混合算法。应用该算法对汲及化学反应的二维高超音速竖板绕流流场进行模拟，将结果与DSMC方法的结果进行比较，验证了新算法对求解化学反应流动的可行性。将混合算法的计算效率与DSMC方法的计算效率进行比较，发现混合算法能够大大提高计算效率。     

Rayleigh-Benard系统不稳定性的DSMC方法研究

本文应用DSMC方法初步研究了稀薄气体状态下Rayleigh-Benard系统的不稳定性特征，着重考察了气体密度梯度对Rayleihg-Benard系统不稳定性特征的影响。研究表明DSMC方法能够成功地模拟Rayleigh-Benard系统内涡的运动，得到了与外力方向相反的密度梯度会增加Rayleigh-Benard系统流动不稳定性的结果。     

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。     

DSMC／EPSM混合算法研究

将EPSM算法与DSMC方法结合，构造了可模拟含近连续流区及过渡流区的DSMC/EPSM混合算法。运用混合算法模拟了马赫数等于5时超音速竖板绕流及马赫数等于4时超音速平板绕流，并将结果与DSMC算法的结果进行比较，证明了DSMC／EPSM混合算法的有效性，同时将EPSM算法与DSMC算法的效率进行了比较。     

微米/纳米尺度的材料力学性能测试

针对如何定量测定纳米、微米尺度及低维材料的力学性能,叙述了采用当今先进观测手段,结合设备特点和力学分析技术来评价材料的硬度、弹性模量、屈服应力、抗蠕变及抗疲劳性等力学性能的测试方法．     

微纳米尺度下材料性能多尺度模拟方法进展

微纳米材料的力学行为正日益引起研究者的关注.微纳米材料的性能取决于从微观、细观到宏观多个空间、时间尺度上不同物理过程非线性耦合演化的结果,发展相应的多尺度数值模拟方法已成为该领域研究工作的一个热点.本文对微纳米材料模拟中比较典型的几种协同多空间尺度和协同多时间尺度方法进行了介绍,着重介绍这些方法的的基本思想、应用情况, 以及各自的优缺点,并对微纳米材料多尺度方法的发展趋势进行总结和评述.      

二维自适应非结构网格DSMC并行算法研究

研究了二维自适应非结构网格DSMC并行算法实现的过程.首先提出了一类非结构网格自适应策略,有效降低了网格尺度对计算结果的影响,提高了流场的分辨率;然后基于PC-CLUSTER群机并行体系结构与消息传递库MPI并行环境,利用分区并行思想,设计了非结构网格DSMC并行算法,节约了计算时间.利用For-tran90的动态分配内存技术编制了通用计算程序;最后对过渡流域高超声绕流进行了数值模拟,计算结果初步验证了算法的可行性与有效性.     

Extension of the DSMC method to high pressure flows

A collision-limiter method, designated as equilibrium direct simulation Monte Carlo (eDSMC), is proposed to extend the DSMC technique to high pressure flows. The method is similar to collision-limiter schemes considered in the past with the important distinction that for inviscid flows, equilibrium is enforced in the entire flow by providing a sufficient number of collisions, based on pre-simulation testing. To test the method with standard DSMC and Navier–Stokes (NS) methods, axi-symmetric nozzle and embedded-channel flows are simulated and compared with experimental temperature data and pre-existing calculations, respectively. The method is shown to agree with third-order Eulerian nozzle flows and first-order channel flows. Chapman–Enskog theory is utilized to predict the range of initial conditions where eDSMC is potentially useful for modeling flows that contain viscous boundary layer regions. Comparison with supersonic nozzle data suggests that the eDSMC method is not adequate for capturing the large variation in flow length scales occurring in supersonic expansions into a vacuum. However, when eDSMC is used in combination with the baseline-DSMC method a near-exact solution is obtained with a considerable computational savings compared to the exact DSMC solution. Viscous flow channel calculations are found to agree well with an exact Navier–Stokes (NS) calculation for a small Knudsen number case as predicted by Chapman–Enskog theory.     

Direct numerical test of the B-G-K model equation by the DSMC method

In the present paper the rarefied gas flow caused by the sudden change of the wall temperature and the Rayleigh problem are simulated by the DSMC method which has been validated by experiments both in global flow field and velocity distribution function level. The comparison of the simulated results with the accurate numerical solution of the B-G-K model equation shows that near equilibrium the B-G-K equation with corrected collision frequency can give accurate result but as farther away from equilibrium the B-G-K equation is not accurate. This is for the first time that the error caused by the B-G-K model equation has been revealed. The project supported by the National Natural Science Foundation of China (19772059, 19889209)     

Study on micronozzle flow and propulsion performance using DSMC and continuum methods

In this paper, both DSMC and Navier–Stokes computational approaches were applied to study micronozzle flow. The effects of inlet condition, wall boundary condition, Reynolds number, micronozzle geometry and Knudsen number on the micronozzle flow field and propulsion performance were studied in detail. It is found that within the Knudsen number range under consideration, both the methods work to predict flow characteristics inside micronozzles. The continuum method with slip boundary conditions has shown good performance in simulating the formation of a boundary layer inside the nozzle. However, in the nozzle exit lip region, the DSMC method is better due to gas rapid expansion. It is found that with decreasing the inlet pressure, the difference between the continuum model and DSMC results increases due to the enhanced rarefaction effect. The coefficient of discharge and the thrust efficiency increase with increasing the Reynolds number. Thrust is almost proportional to the nozzle width. With dimension enlarged, the nozzle performance becomes better while the rarefaction effects would be somewhat weakened.The project supported by the National Natural Science Foundation of China (10372099). The English text was polished by Boyi Wang     

三维非结构网格DSMC方法的实现及其应用

研究了三维非结构网格DSMC方法实现的过程。将Bird位置元方案中的子网格思想引入到非结构网格上来,只存储子网格的总体标识号,利用较少的计算网格提高了分子的分辨率与计算精度。提出了将体积元坐标搜索算法与交替数字二叉树搜索算法(ADT)相结合的方法来跟踪模拟分子在网格之间的迁移,使用ADT方法判别分子与物面是否作用,避免了分子表面反射的非确定论判据。利用Fortran 90的动态分配内存技术编制了通用计算程序。最后对高超声速过渡流域航天飞机头部外形绕流进行了数值模拟,数值结果初步验证了算法的可行性。     

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。