论文部分内容阅读
微尺度流动开辟了流体力学研究的一个崭新领域,微尺度流动的研究成果极大的推进了流体力学理论的发展,同时,微机电系统(MEMS)和纳米机电系统(NEMS)是微型化方向的高新技术领域,开展微尺度流动的研究对这些领域具有重要的意义。微尺度气体流动的稀薄程度可以用Knudsen数Kn=λ/L表示,其中λ为分子平均自由程,L为流场的特征长度。流动可以分为连续区(Kn≤0.001)、滑移区(0.001<Kn≤0.1)、过渡区(0.1<Kn≤10)和自由分子区(Kn>10)。当流动进入滑移和过渡流区,流场中缺乏足够的分子碰撞,此时,采用Navier-Stokes方程计算的结果与实验结果有较大的偏差,而直接蒙特卡洛(DSMC)方法模拟低速微尺度流动时产生统计噪声较大,需要大量的计算时间,本文采用基于非连续性假设的一种介观模拟方法一格子Boltzmann方法(LBM)对微尺度气体流动进行模拟研究,其物理背景清晰,边界条件处理容易,且计算程序简单。对于连续区直接采用标准LBM模型对典型算例进行模拟来验证方法的可行性与程序的正确性；对于滑移区微尺度流动的模拟,在计算模型的松弛时间中引入Kn数,并采用一阶滑移边界格式,采用此模型模拟典型流动的速度分布和边界速度滑移与理论值吻合的较好,还对微流动中的稀薄效应和可压缩效应进行了分析和讨论；在过渡区,对Knudsen层内的速度进行修正,并根据线性Boltzmann方程确定Knudsen层的厚度及相应参数的选择,边界处理格式采用二阶滑移边界,采用修正后的模型对过渡区的微流动进行了模拟研究,模拟结果表明对滑移速度分布和非线性压力的预测能够很好的符合线性Boltzmann方程和DSMC的结果。本文采用格子Boltzmann方法对连续区、滑移区和过渡区的微尺度流动特性进行了较为细致的分析和研究,为今后深入研究奠定了一定的基础和研究思路。