多尺度微、納米機電系統(tǒng)中氣體流動的模型及計算方法研究.pdf

1、目前，國際上對于微尺度的流動傳熱現(xiàn)象的研究已經(jīng)逐漸形成一定的規(guī)模，有相當數(shù)量的實驗研究以及理論分析都揭示出了微尺度能量傳輸?shù)臋C理與傳統(tǒng)理論有著質(zhì)的差異。但是對于微尺度流動和傳熱理論的深層次了解尚不透徹，甚至存在著一些分歧。利用傳統(tǒng)的連續(xù)介質(zhì)力學的Navier-Stokes方程求解微尺度氣體的流動和傳熱問題時，即使考慮有滑移的速度和溫度邊界條件，當Kn數(shù)增加到過渡區(qū)域時，解析結果也將產(chǎn)生顯著差異。 本文首先通過對粘度和熱傳導系數(shù)在

2、微、納米尺度下產(chǎn)生變化的分析，考慮氣體稀薄效應，引入廣義平均自由程、廣義動力粘度、廣義導熱系數(shù)，改進以連續(xù)介質(zhì)力學為基礎的微尺度氣體流動和傳熱的模型和方法，使其可以延伸到滑移區(qū)和過渡流動區(qū)。流動系統(tǒng)為微庫埃特流，選用單原子氣體氬氣作為氣體介質(zhì)，其分子作用勢模型選用可變硬球模型(VHS)。采用廣義微分積分方法(GDQ)，對所建理論模型進行數(shù)值求解，將結果與蒙特卡羅直接模擬方法(DSMC)的數(shù)值模擬結果以及參考文獻值進行比較分析。結果顯示：

3、在滑移流動區(qū)，理論模型的計算結果與DSMC模型的結果以及文獻值吻合情況良好，其相對誤差不超過5％，但當流動處于Kn>0.1的過渡區(qū)時所建理論模型與DSMC結果以及文獻值開始出現(xiàn)偏差，實際上也說明了通過對連續(xù)介質(zhì)模型的改進不能徹底解決能量傳輸機理的差異。通過隨著流動變得越來越稀薄，所建理論模型在高努森數(shù)情況下得不到合理的結果。 最后針對微矩形通道內(nèi)氣體流動特性進行實驗研究。通過實驗結果分析發(fā)現(xiàn)，對于高寬比為4的矩形微通道，實驗得到