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。     

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.     

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.     

气体在微圆管内层流换热的壁面效应的研究

微通道内流体流动与换热规律不同于常规尺度，这可归因于“贴壁层”流体分子与壁面相互作用的影响．当通道尺度小到与分子自由程可比时，贴壁层影响就不能忽略，贴壁层内流体的输运性质将不同于贴壁层以外流体的输运性质.在已求得贴壁层内气体粘度变化的基础上也同样可求得贴壁层内气体导热系数的变化．以此为基础，求解了微圆管内气体完全发展的层流换热。     

微尺度气体流动特性实验研究

现有关于微尺度下气体流动特性的文献结果差异很大,甚至互相矛盾.文中提出入口效应以及充分发展段的流动特性与常规尺度的差异可能是影响微尺度下气体流动特性的关键因素.搭建了单相气体流动特性实验研究系统,针对这一影响因素对气体流动特性的影响规律进行了系统分析,证实了上述结论,发现微尺度下充分发展段流体的摩擦阻力明显小于常规理论预测值.针对微尺度下气体流动特性进行了系统分析.     

非结构化网格下自由分子微电热推力器数值模拟

采用非结构化网格,压力边界条件的DSMC-FVM耦合方法对自由分子微电阻加热推力器微喷管内的流动与换热进行了数值模拟.分析了微喷管的流场特征,证明所采用的DSMC-FVM多尺度方法对微喷管内流场与温度场模拟是合适而且必要的.     

微尺度后台阶流动的Monte Carlo直接模拟

对DSMC方法中压力边界条件的实现给出了一种改进的方法,并分区模拟了微尺度后台阶气体流动,得到了其流动的一般典型结构.计算结果表明经典后台阶流动中的回流区在一定参数范围内仍然存在,但上壁面的分离区消失.讨论了流动参数对流动结构的影响,并给出了再附长度与流动参数的关系.     

矩形微槽道气体流动的速度分布

矩形微槽道的各个流向截面可以局部近似为平面Poiseuille流动,应用信息保存(IP)方法和直接模拟Monte Carlo(DSMC)方法计算了从连续介质区到自由分子流区的平面Poiseuille流动,利用其结果对Beskok-Karniadadis公式和质量流率动理论因子进行修正和重新拟合,给出在整个稀薄气体流动领域都适用的微槽道气体流动速度分布.     

纳米通道内气体剪切流动的分子动力学模拟

采用分子动力学模拟方法研究了表面力场对纳米通道内气体剪切流动的影响规律.结果显示通道内的气体流动分为两个区域:受壁面力场影响的近壁区域和不受壁面力场影响的主流区域.近壁区域内,气体流动特性和气体动力学理论预测差别很大,密度和速度急剧增大并出现峰值,正应力变化剧烈且各向异性,剪切应力在距壁面一个分子直径处出现突变.主流区域的气体流动特性与气体动力学理论预测相符合,该区域内的密度、正应力与剪切应力均为恒定值,速度分布亦符合应力-应变的线性响应关系.不同通道高度及密度下,近壁区域的归一化密度、速度及应力分布一致,表明近壁区域的气体流动特性仅由壁面力场所决定.随着壁面对气体分子势能作用的增强,气体分子在近壁区域的密度和速度随之增大,直至形成吸附层,导致速度滑移消失.通过剪切应力与切向动量适应系数(TMAC)的关系,得到不同壁面势能作用下的TMAC值,结果表明壁面对气体分子的势能作用越强,气体分子越容易在壁面发生漫反射.