Boltzmann模型方程数值算法对微纳尺度流体力学应用研究

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从连接微观分子动力学与宏观流体力学的介观Boltzmann方程输运理论出发,通过对Boltzmann方程碰撞积分模型化处理与可计算建模,引入碰撞松弛参数和当地平衡态分布函数,将表征不同流区流态控制参数、宏观流动物理量、气体黏性输运特性、热力学效应及气体分子相互作用规则与分子模型联系起来,确立可描述不同克努森数下二维微槽道流动问题的气体分子速度分布函数控制方程。使用约化速度分布函数和气体动理论离散速度坐标法,将单一的气体分子速度分布函数方程化为在各个离散速度坐标点处基于时间与位置空间具有非线性碰撞松弛源项的双曲型守恒方程组。发展非定常时间分裂数值计算技术与计算流体力学有限差分法,将速度空间离散化的气体分子速度分布函数方程分裂为位置空间对流运动方程和代表碰撞松驰变化的非线性源项方程,构造直接求解分子速度分布函数的气体动理论耦合迭代数值格式。建立基于气体分子速度分布函数适于微尺度流动变化特点的气面相互作用数学模型及数值处理方法,根据亚声速流动信息沿左右特征线传播理论,发展适于不同马赫数微纳尺度流动进/出口边界条件数值计算模型。研制可准确表征微流动与传热宏观流动特性离散速度数值积分方法,建立可靠模拟不同克努森数、不同流动速度的微纳尺度槽道流问题Boltzmann模型方程数值算法。通过对MEMS/NEMS典型组件不同克努森数库特(Couette)热对流、温度差引起Crookes辐射计内流场蠕动与微型喷管槽道流计算研究,将计算结果分别与基于微观分子颗粒输运的类DSMC模拟值、基于宏观流体力学滑移N-S解、线化Boltzmann方程近似分析解与有关实验数据等的比较分析,显示出通过直接求解介观Boltzmann型速度分布函数方程所发展的气体动理论数值算法能很好地揭示近连续滑移、过渡流区MEMS/NEMS微纳尺度流动现象与微弱流动变化细节,可望发展起新型的基于Boltzman模型方程求解微纳米流动与传热问题气体动理论数值计算方法。
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