微尺度氣體流動(dòng)與混合的直接模擬蒙特卡羅方法研究.pdf

1、隨著MEMS技術(shù)在生物醫(yī)學(xué)工程領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，微米甚至納米通道內(nèi)氣體流動(dòng)與混合的研究已逐漸成為MEMS的一個(gè)研究熱點(diǎn)，是實(shí)現(xiàn)微混合器性能優(yōu)化、推動(dòng)MEMS技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵因素。 對(duì)于MEMS中的氣體流動(dòng)，由于通道特征尺度小，Knudsen（Kn）數(shù)大，流動(dòng)處于滑流區(qū)、過渡區(qū)和自由分子區(qū)，控制方程為復(fù)雜的非線性Boltzmann方程，基于連續(xù)介質(zhì)假設(shè)條件的傳統(tǒng)模擬方法不再適用，必須采用基于分子運(yùn)動(dòng)論及統(tǒng)計(jì)規(guī)律的方法進(jìn)行模擬，直接模擬

2、蒙特卡羅（DSMC）方法是模擬高Kn數(shù)氣體流動(dòng)非常成功的數(shù)值方法。DSMC方法避免了直接求解復(fù)雜的Boltzmann方程，而是仿真該方程所描述的物理過程，通過將模擬分子的運(yùn)動(dòng)與碰撞解耦，大大減少了計(jì)算機(jī)時(shí)，這是其他方法所不能比擬的。 本文首先概述了微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）的發(fā)展現(xiàn)狀及微尺度氣體流動(dòng)與混合的特性，從理論、實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬研究三方面回顧了微尺度氣體流動(dòng)的國(guó)內(nèi)外發(fā)展概況，對(duì)DSMC方法模擬微尺度氣體流動(dòng)與混合的研究現(xiàn)狀作了

3、介紹。 其次，介紹了蒙特卡羅（MC）方法和隨機(jī)抽樣的基本原理，詳細(xì)分析了DSMC方法的程序流程和實(shí)現(xiàn)方法，通過對(duì)分子二元碰撞模型和非線性Boltzmann方程的分析，研究了微尺度氣體流動(dòng)的機(jī)理，得出DSMC方法與Boltzmann方程的一致性，為DSMC方法在微尺度氣體流動(dòng)與混合中的應(yīng)用提供了理論依據(jù)。 然后，編寫了DSMC流場(chǎng)仿真程序，對(duì)Bird的標(biāo)準(zhǔn)程序進(jìn)行了改進(jìn)和發(fā)展，使其能夠模擬更加復(fù)雜的氣體流動(dòng)。用開發(fā)的程序數(shù)

4、值模擬了微尺度氣體的Couette流動(dòng)，分析了Kn數(shù)對(duì)速度、剪切力和溫度的影響，通過將模擬結(jié)果與滑移邊界條件下N-S方程解析解和線性化Boltzmann方程數(shù)值解的對(duì)比，驗(yàn)證了程序的正確性和DSMC方法的有效性。討論了網(wǎng)格尺寸和每個(gè)網(wǎng)格中模擬分子數(shù)這兩個(gè)主要參數(shù)對(duì)Couette流動(dòng)的速度和溫度模擬精度的影響。 最后，用編寫的DSMC仿真程序并結(jié)合流體力學(xué)分析軟件Fluent，數(shù)值模擬了T型管微通道內(nèi)兩種氣體的混合過程，通過研究氣