微尺度氣體流動(dòng)的格子Boltzmann模擬.pdf

1、微尺度流動(dòng)開(kāi)辟了流體力學(xué)研究的一個(gè)嶄新領(lǐng)域，微尺度流動(dòng)的研究成果極大的推進(jìn)了流體力學(xué)理論的發(fā)展，同時(shí)，微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)和納米機(jī)電系統(tǒng)(NEMS)是微型化方向的高新技術(shù)領(lǐng)域，開(kāi)展微尺度流動(dòng)的研究對(duì)這些領(lǐng)域具有重要的意義。
　　微尺度氣體流動(dòng)的稀薄程度可以用Knudsen數(shù)Kn=λ/L表示，其中λ為分子平均自由程，L為流場(chǎng)的特征長(zhǎng)度。流動(dòng)可以分為連續(xù)區(qū)（Kn≤0.001）、滑移區(qū)（0.001＜Kn≤0.1）、過(guò)渡區(qū)（0.1＜Kn

2、≤10）和自由分子區(qū)（Kn＞10）。當(dāng)流動(dòng)進(jìn)入滑移和過(guò)渡流區(qū)，流場(chǎng)中缺乏足夠的分子碰撞，此時(shí)，采用Navier-Stokes方程計(jì)算的結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果有較大的偏差，而直接蒙特卡洛(DSMC)方法模擬低速微尺度流動(dòng)時(shí)產(chǎn)生統(tǒng)計(jì)噪聲較大，需要大量的計(jì)算時(shí)間，本文采用基于非連續(xù)性假設(shè)的一種介觀模擬方法—格子Boltzmann方法(LBM)對(duì)微尺度氣體流動(dòng)進(jìn)行模擬研究，其物理背景清晰，邊界條件處理容易，且計(jì)算程序簡(jiǎn)單。
　　對(duì)于連續(xù)區(qū)直接采用

3、標(biāo)準(zhǔn)LBM模型對(duì)典型算例進(jìn)行模擬來(lái)驗(yàn)證方法的可行性與程序的正確性;對(duì)于滑移區(qū)微尺度流動(dòng)的模擬，在計(jì)算模型的松弛時(shí)間中引入Kn數(shù)，并采用一階滑移邊界格式，采用此模型模擬典型流動(dòng)的速度分布和邊界速度滑移與理論值吻合的較好，還對(duì)微流動(dòng)中的稀薄效應(yīng)和可壓縮效應(yīng)進(jìn)行了分析和討論;在過(guò)渡區(qū)，對(duì)Knudsen層內(nèi)的速度進(jìn)行修正，并根據(jù)線性Boltzmann方程確定Knudsen層的厚度及相應(yīng)參數(shù)的選擇，邊界處理格式采用二階滑移邊界，采用修正后的模型對(duì)