微尺度氣體流動的格子Boltzmann模擬.pdf

1、微尺度流動開辟了流體力學研究的一個嶄新領域，微尺度流動的研究成果極大的推進了流體力學理論的發(fā)展，同時，微機電系統(tǒng)(MEMS)和納米機電系統(tǒng)(NEMS)是微型化方向的高新技術領域，開展微尺度流動的研究對這些領域具有重要的意義。
　　微尺度氣體流動的稀薄程度可以用Knudsen數(shù)Kn=λ/L表示，其中λ為分子平均自由程，L為流場的特征長度。流動可以分為連續(xù)區(qū)（Kn≤0.001）、滑移區(qū)（0.001＜Kn≤0.1）、過渡區(qū)（0.1＜Kn

2、≤10）和自由分子區(qū)（Kn＞10）。當流動進入滑移和過渡流區(qū)，流場中缺乏足夠的分子碰撞，此時，采用Navier-Stokes方程計算的結果與實驗結果有較大的偏差，而直接蒙特卡洛(DSMC)方法模擬低速微尺度流動時產生統(tǒng)計噪聲較大，需要大量的計算時間，本文采用基于非連續(xù)性假設的一種介觀模擬方法—格子Boltzmann方法(LBM)對微尺度氣體流動進行模擬研究，其物理背景清晰，邊界條件處理容易，且計算程序簡單。
　　對于連續(xù)區(qū)直接采用

3、標準LBM模型對典型算例進行模擬來驗證方法的可行性與程序的正確性;對于滑移區(qū)微尺度流動的模擬，在計算模型的松弛時間中引入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的速度分布和邊界速度滑移與理論值吻合的較好，還對微流動中的稀薄效應和可壓縮效應進行了分析和討論;在過渡區(qū)，對Knudsen層內的速度進行修正，并根據(jù)線性Boltzmann方程確定Knudsen層的厚度及相應參數(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