基于格子Boltzmann方法的微尺度氣體流動模擬.pdf

1、微尺度流動開辟了流體力學(xué)研究的一個嶄新領(lǐng)域，微尺度流動的研究豐富并推進(jìn)了流體力學(xué)理論的發(fā)展，同時，微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)是微型化方向的高新技術(shù)領(lǐng)域，開展微尺度流動的研究對這些領(lǐng)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≤10）和自由分子區(qū)（Kn＞1

2、0）。當(dāng)流動進(jìn)入滑移和過渡流區(qū)，流場中分子之間的碰撞大大減少，此時，采用基于連續(xù)性假設(shè)的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時產(chǎn)生統(tǒng)計(jì)噪聲較大，而且需要大量的計(jì)算時間，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)對微尺度氣體流動進(jìn)行模擬研究，其優(yōu)點(diǎn)是有強(qiáng)大的物理基礎(chǔ)，邊界條件處理容易，且計(jì)算程序簡單。
　　在對于滑移區(qū)微

3、尺度流動的模擬時，在計(jì)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非線性壓力分布、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(yīng)和可壓縮效應(yīng)進(jìn)行了分析和討論;在過渡區(qū)，對Knudsen層內(nèi)的速度進(jìn)行修正，得到了含有Knudsen層效應(yīng)的格子Boltzmann模型，邊界處理格式采用二階滑移邊界，采用修正后的模型對過渡區(qū)的微流動進(jìn)行了模擬研究，模擬結(jié)果表明對非線性壓力和滑移速度分布的模擬結(jié)