多尺度微、納米機(jī)電系統(tǒng)中氣體流動(dòng)的模型及計(jì)算方法研究.pdf

1、目前，國(guó)際上對(duì)于微尺度的流動(dòng)傳熱現(xiàn)象的研究已經(jīng)逐漸形成一定的規(guī)模，有相當(dāng)數(shù)量的實(shí)驗(yàn)研究以及理論分析都揭示出了微尺度能量傳輸?shù)臋C(jī)理與傳統(tǒng)理論有著質(zhì)的差異。但是對(duì)于微尺度流動(dòng)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(xué)的Navier-Stokes方程求解微尺度氣體的流動(dòng)和傳熱問(wèn)題時(shí)，即使考慮有滑移的速度和溫度邊界條件，當(dāng)Kn數(shù)增加到過(guò)渡區(qū)域時(shí)，解析結(jié)果也將產(chǎn)生顯著差異。 本文首先通過(guò)對(duì)粘度和熱傳導(dǎo)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(yīng)，引入廣義平均自由程、廣義動(dòng)力粘度、廣義導(dǎo)熱系數(shù)，改進(jìn)以連續(xù)介質(zhì)力學(xué)為基礎(chǔ)的微尺度氣體流動(dòng)和傳熱的模型和方法，使其可以延伸到滑移區(qū)和過(guò)渡流動(dòng)區(qū)。流動(dòng)系統(tǒng)為微庫(kù)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(shì)模型選用可變硬球模型(VHS)。采用廣義微分積分方法(GDQ)，對(duì)所建理論模型進(jìn)行數(shù)值求解，將結(jié)果與蒙特卡羅直接模擬方法(DSMC)的數(shù)值模擬結(jié)果以及參考文獻(xiàn)值進(jìn)行比較分析。結(jié)果顯示：

3、在滑移流動(dòng)區(qū)，理論模型的計(jì)算結(jié)果與DSMC模型的結(jié)果以及文獻(xiàn)值吻合情況良好，其相對(duì)誤差不超過(guò)5％，但當(dāng)流動(dòng)處于Kn>0.1的過(guò)渡區(qū)時(shí)所建理論模型與DSMC結(jié)果以及文獻(xiàn)值開(kāi)始出現(xiàn)偏差，實(shí)際上也說(shuō)明了通過(guò)對(duì)連續(xù)介質(zhì)模型的改進(jìn)不能徹底解決能量傳輸機(jī)理的差異。通過(guò)隨著流動(dòng)變得越來(lái)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(jié)果。 最后針對(duì)微矩形通道內(nèi)氣體流動(dòng)特性進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。通過(guò)實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析發(fā)現(xiàn)，對(duì)于高寬比為4的矩形微通道，實(shí)驗(yàn)得到